MATLAB环境下的倒立摆实时控制实验及其应用

本文主要探讨了MATLAB环境下的直线单级倒立摆系统实时控制实验的研究与设计，作者刘时鹏，专业为模式识别与智能系统，硕士研究生，由导师陈今润指导。倒立摆系统作为非线性、强耦合、多变量和自然不稳定的典型系统，对于控制理论的验证具有重要意义。传统的实物系统开发和实验教学面临复杂性和实时性需求的挑战，这促使研究人员寻求更高效的方法。 MATLAB的硬件在回路仿真（Hardware-in-the-Loop, HIL）技术被提出作为解决这一问题的有效途径。通过RTW实时工具箱，文章构建了一个实时控制平台，允许将Simulink生成的仿真模型无缝集成到目标实时内核，从而驱动实际硬件设备，实现倒立摆系统的实时控制。研究区分了MATLAB RTW单机型和双机型两种系统结构，详细介绍了如何在xPCTarget环境中开发第三方设备驱动程序，为用户提供了灵活的实验配置方案。 实验设计包括一系列高级别本科生课程，涵盖了对象建模、经典控制理论和现代控制理论等内容，将离线数学仿真与在线实时控制相结合。通过Simulink简化了编程过程，让学生专注于控制器设计和参数调整，同时还能利用数据存储功能进行系统历史趋势分析，以优化控制策略。 实验的可行性得到了实际倒立摆的实时控制实验验证，并对离线仿真与实际控制结果的差异进行了深入分析。此外，论文展示了该平台在水箱液位控制系统中的成功应用，证明了其在不同应用场景下的可扩展性和通用性。 最后，论文对未来平台性能优化和功能扩展提出了愿景，强调了硬件在回路仿真技术在高校实验室建设中的核心地位，认为它是一种高效且节省时间的工具，对于未来的实验开发和理论研究具有显著的价值。本文的工作为倒立摆系统实时控制的教学和研究提供了实用且先进的实验平台解决方案。