鲁东大学本科毕业设计
1 引言
谈到倒立摆系统我们并不陌生，在我们的接触当中，它由一个摆杆和小车构成。其工作原理简单易懂：首先让小车做直线运动，此时摆杆开始摆动，一段时间后，加入控制力使摆杆保持稳定，处于倒立的状态。由于其原理是《现代控制理论》中最基本最具有代表性的原理，他是典型的不稳定、强耦合、多变量的系统，这种系统广泛的应用在物理模型，机器人控制模型和火箭发射对接模型中。他已经成为人们研究各种控制理论的基本理论。倒立摆的构成非常简单，形象又美观，控制参数简易，成本低廉，成为了大多数科研人员研究的对象。由NI公司开发的LabVIEW控制仿真软件，当它作为开发软件时，能够非常直观的观测出被控对象的变化曲线。正是因为倒立摆系统的广泛应用，加上其原理对于虚拟仪器模拟的相似性，比如航天飞船的控制、医疗控制、电力生产的模拟控制、数字飞机控制、建筑工程控制等[1]，研究好其基本原理同实际问题的结合是当前世界各个国家科研人员所研究的的重点对象，在控制理论中它已经成为各国科研人员研究的经久不衰的课题。
2 倒立摆系统组成和LabVIEW介绍
在LabVIEW的倒立摆控制系统设计中，控制部分在LabVIEW的前面板中都有所体现，根据倒立摆系统的组成对其控制系统建模，计算分析，仿真绘图的过程，最终验证系统的有效性。LabVIEW是由NI公司开发的控制仿真软件，将函数变为图形化，其简单直观，现在已经成为人们研究控制系统非常重要的软件。
2.1 倒立摆系统组成
倒立摆系统是一个非线性的系统，具有不稳定的特性，由一个摆杆和小车构成。小车作直线运动带动摆杆左右摇摆。在加入控制力之后摆杆最终恢复稳定倒立于垂直小车的上部。倒立摆是进行控制理论教学和开展各种控制实验的理想平台。倒立摆按种类可以分为复合倒立摆、环形式倒立摆、直线倒立摆、平面倒立摆等；按摆杆的级数可以分为四个等级：一级倒立摆是基础的模型，二级、三级和四级倒立摆是一级倒立摆的升级版，统称为多级倒立摆，属于复杂的倒立摆系统。[3]
2.1.1 倒立摆分类
（一）复合倒立摆
2
鲁东大学本科毕业设计
复合倒立摆是刚刚兴起的一种新型的倒立摆。其组成听起来很复杂，实际上与直线倒立摆的性质一样，非常简单，主要构成部分是运动本体和摆杆。大体上也可分为单级倒立摆和多级倒立摆两种形式。最简单的倒立摆形式是一级摆杆，多级倒立摆是对一级倒立摆的升级。倒立摆的级数越高，其控制难度越大。四级倒立摆是目前可以实现的最高级别的倒立摆。 （二）环形式倒立摆
环形倒立摆的组成相对复杂一点，它由一个摆体组件和一个环形运动体作为载体构成。所谓环形运动体就是以中心为圆心能够做圆周运动的物体，摆杆组件连接在环形运动体上，随着环形运动体一起做圆周运动，环形倒立摆摆体组件的级数相对复杂些，它能够串连或并联连接在环形体上，所以组成倒立摆形式有各种各样的。 （三）直线倒立摆
直线倒立摆是最简单的倒立摆模型，它有一个可以作直线运动的小车和装在小车上的摆杆构成，直线运动小车可以自由运动，摆杆随着小车来回摆动，由摆杆的不同来区别倒立摆的类型，摆体组件也有一级、二级、三级和四级四种。 （四）平面倒立摆
平面倒立摆的构成与环形倒立摆的性质相同，是把摆杆组件装在能够做平面运动的运动载体上。平面运动载体是由XY平台和SCARA机械臂构成；摆体组件可以组成许多类别的倒立摆，如一级、二级、三级和四级倒立摆。级数越高，倒立摆越复杂。[4]
2.2 LabVIEW简介
LabVIEW是一种图形化编程软件，由美国NI （National Instruments Corp NI）公司推出。1986年，美国NI公司首先提出了虚拟仪器（Virtual Instrument，VI）的概念。虚拟仪器是刚刚兴起的一种应用在各个领域远程控制的新技术，操作它就像是在操作一台传统电子仪器，但是又跟传统电子仪器不同。虚拟仪器的技术更加简单灵活，能依据用户个人意愿设计专属于自己的程序。美国NI公司推出的LabVIEW软件是最具代表性的图形化编辑语言。它用图标代替文本行创建应用程序。与传统仪器相比，LabVIEW能简化程序的开发，提高编程效率。只要充分利用了LabVIEW充足资源和强大功能，科研技术人员就能快速简捷地完成自己的工作任务。[5] LabVIEW主要由两部分构成：一是简单明了易操作的前面板，在前面板上提供了许多仪器面板中的控制对象，如输入控件、旋钮控件、布尔开关控件及图形输出控件等。我们通过使用前面板的各个控件把控制对象变为适合自己操作的控制对象，进而准确无误的实现我们想要的系统以及运行结果。LabVIEW的前面板有各种各样信号处理模型的控件、各种输入输出控件、各种
3
鲁东大学本科毕业设计
图表控件。LabVIEW支持Windows、XP操作系统平台，编程在任何地方都能得以实现。
2.2.1 LabVIEW控件的简单介绍
控制设计与仿真工具包中所包含的VI库相当丰富，涵盖了控制系统数学模型的建立、转换，各种时域和频域分析方法，以及经典和现代控制理论中所涉及的其他许多分析和设计方法，使得该工具包完全可以成为控制设计和仿真领域内一个独特和强大的工具平台。 (一）、前面板
刚打开LabVIEW软件之后，展示在我们面前的就是前面板，它好比计算机的显示器把计算机内部计算的结果形象直观的展示给用户，在前面板上有各种输入控件、输出控件和图标显示控件等等。比如输入控件有转盘、开关按钮、拨盘等，输出的控件有文本显示控件、图形显示控件等。
下图所示是一个三角函数产生和显示的前面板，上面有转盘、停止按钮、波形显示控件，整个三角波的发生和显示过程都可以形象直观的在前面板上看见。
图1三角波的产生的前面板VI
（二）、程序框图
与前面板相应就是程序框图。程序框图可以把它想象为现在计算机当中控制整台机器运行的大脑CPU，它可以控制整个系统正常运行，是实现程序正常运行的核心。程序框图由节点、端口和连线等要素组成。如图：
4
鲁东大学本科毕业设计
图2三角波产生的程序框图
3倒立摆系统的建模与分析
倒立摆系统是一类非线性、强耦合、多变量和自然不稳定的系统。正是这种不稳定性，使倒立摆系统在科研领域发挥着至关重要的作用。为了解决实际操作过程中遇到的现实问题，本文应用牛顿定律对倒立摆进行建模和分析，以此得到倒立摆系统的定性分析和倒立摆模型的实验方法。倒立摆建模的过程把理论问题同实际问题很好地结合在一起，尤其在物理学、数学和电力学等方面，更能有效地体现出来倒立摆应用的广泛性。
3.1倒立摆系统的建模
一级倒立摆系统属于非线性系统，需要将其近似为一个线性系统。在实际
的建模过程中，要忽略空气阻力以及摩擦阻力。对摆杆和小车分别进行力学分析由牛顿定律可得如图：
图3一级倒立摆示意图
5
相关推荐：
loading