控制系統(tǒng)仿真與實(shí)踐案例式教程

第一篇 控制系統(tǒng)建模與仿真
第1章 直線一級(jí)倒立擺控制系統(tǒng)…………………………………………………… 1
1.1 倒立擺的基本組成…………………………………………………………… 1
1.2 倒立擺系統(tǒng)的建?！?2
1.3 直線一級(jí)倒立擺系統(tǒng)的定性分析…………………………………………… 6
1.3.1 系統(tǒng)的穩(wěn)定性分析……………………………………………………… 6
1.3.2 系統(tǒng)的可控性分析……………………………………………………… 7
1.3.3 系統(tǒng)的可觀性分析……………………………………………………… 8
1.3.4 系統(tǒng)的階躍響應(yīng)分析…………………………………………………… 8
1.4 直線一級(jí)倒立擺的PID控制設(shè)計(jì)…………………………………………… 9
1.4.1 PID的基本原理………………………………………………………… 9
1.4.2 PID參數(shù)整定…………………………………………………………… 10
1.4.3 數(shù)字式PID控制算法………………………………………………… 13
1.4.4 倒立擺系統(tǒng)PID控制器的仿真……………………………………… 14
1.5 直線一級(jí)倒立擺的LQR控制……………………………………………… 18
1.5.1 線性二次型最優(yōu)控制理論……………………………………………… 18
1.5.2 倒立擺的LQR仿真…………………………………………………… 20
1.6 課后思考……………………………………………………………………… 23
參考文獻(xiàn)…………………………………………………………………………… 23
第2章 磁懸浮球控制系統(tǒng)………………………………………………………… 25
2.1 磁懸浮球控制系統(tǒng)介紹……………………………………………………… 25
2.1.1 磁懸浮球控制系統(tǒng)的基本原理………………………………………… 25
2.1.2 電磁學(xué)理論基礎(chǔ)………………………………………………………… 26
2.1.3 光電位置傳感器分析…………………………………………………… 31
2.2 系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型的建立……………………………………………………… 32
2.2.1 理論分析………………………………………………………………… 32
2.2.2 系統(tǒng)模型的線性化處理………………………………………………… 34
2.2.3 系統(tǒng)物理參數(shù)及其測(cè)量方法…………………………………………… 35
2.2.4 系統(tǒng)模型的建立………………………………………………………… 36
2.2.5 系統(tǒng)的基礎(chǔ)分析………………………………………………………… 38
2.3 根軌跡控制設(shè)計(jì)……………………………………………………………… 39
2.3.1 基于根軌跡的相位超前校正…………………………………………… 40
2.3.2 基于根軌跡的相位滯后校正…………………………………………… 41
2.3.3 使用根軌跡法設(shè)計(jì)磁懸浮球系統(tǒng)控制器……………………………… 42
2.4 PID控制設(shè)計(jì)………………………………………………………………… 49
2.5 模糊PID控制設(shè)計(jì)………………………………………………………… 52
2.5.1 模糊控制算法的工作原理……………………………………………… 52
2.5.2 模糊控制算法的理論基礎(chǔ)簡(jiǎn)述………………………………………… 53
2.5.3 模糊PID控制器的結(jié)構(gòu)與參數(shù)……………………………………… 56
2.5.4 模糊PID控制器的實(shí)現(xiàn)……………………………………………… 59
2.6 課后思考……………………………………………………………………… 63
參考文獻(xiàn)…………………………………………………………………………… 64
第3章 兩輪直立車系統(tǒng)的自平衡控制…………………………………………… 65
3.1 直立車的基本組成…………………………………………………………… 65
3.2 直立車系統(tǒng)的建?！?66
3.2.1 受力分析………………………………………………………………… 67
3.2.2 關(guān)系式的建立…………………………………………………………… 69
3.2.3 線性化…………………………………………………………………… 71
3.3 直立車系統(tǒng)的仿真分析……………………………………………………… 73
3.4 PID仿真及參數(shù)整定………………………………………………………… 75
3.5 PID參數(shù)實(shí)物調(diào)試…………………………………………………………… 78
3.6 課后思考……………………………………………………………………… 81
參考文獻(xiàn)…………………………………………………………………………… 82
第4章 三自由度直升機(jī)系統(tǒng)……………………………………………………… 83
4.1 系統(tǒng)概述…………………………………………………………………… 83
4.2 系統(tǒng)建?！?83
4.2.1 俯仰軸………………………………………………………………… 84
4.2.2 橫側(cè)軸………………………………………………………………… 85
4.2.3 旋轉(zhuǎn)軸………………………………………………………………… 85
4.3 控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)………………………………………………………………… 86
4.3.1 PID理論仿真分析……………………………………………………… 86
4.3.2 LQR控制器的設(shè)計(jì)…………………………………………………… 90
4.4 課后思考……………………………………………………………………… 94
參考文獻(xiàn)…………………………………………………………………………… 94
第二篇 測(cè)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)
第5章 溫度控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)……………………………………………………… 95
5.1 設(shè)計(jì)要求……………………………………………………………………… 95
5.2 任務(wù)分析……………………………………………………………………… 96
5.3 電路設(shè)計(jì)……………………………………………………………………… 96
5.3.1 硬件總體框圖…………………………………………………………… 96
5.3.2 單片機(jī)電路……………………………………………………………… 97
5.3.3 人機(jī)I/O模塊………………………………………………………… 99
5.3.4 測(cè)溫電路……………………………………………………………… 101
5.3.5 加熱啟停電路………………………………………………………… 102
5.3.6 電源電路……………………………………………………………… 104
5.4 電路仿真…………………………………………………………………… 104
5.5 電路制作…………………………………………………………………… 107
5.6 軟件設(shè)計(jì)…………………………………………………………………… 107
5.6.1 主程序………………………………………………………………… 108
5.6.2 按鍵子程序…………………………………………………………… 109
5.6.3 測(cè)溫子程序…………………………………………………………… 112
5.6.4 顯示子程序…………………………………………………………… 117
5.6.5 溫度控制子程序……………………………………………………… 118
5.7 系統(tǒng)調(diào)試…………………………………………………………………… 120
5.7.1 硬件調(diào)試……………………………………………………………… 120
5.7.2 軟件調(diào)試……………………………………………………………… 121
5.8 課后思考…………………………………………………………………… 124
參考文獻(xiàn)…………………………………………………………………………… 124
第6章 基于激光傳感器的自主循跡智能車設(shè)計(jì)………………………………… 125
6.1 設(shè)計(jì)要求…………………………………………………………………… 125
6.2 任務(wù)分析…………………………………………………………………… 126
6.3 機(jī)械設(shè)計(jì)…………………………………………………………………… 126
6.3.1 傳感器布局…………………………………………………………… 127
6.3.2 舵機(jī)的安裝…………………………………………………………… 129
6.3.3 編碼器的安裝………………………………………………………… 130
6.4 硬件設(shè)計(jì)…………………………………………………………………… 131
6.4.1 單片機(jī)最小系統(tǒng)……………………………………………………… 131
6.4.2 供電電路……………………………………………………………… 132
6.4.3 路徑信息采集電路…………………………………………………… 133
6.4.4 電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路………………………………………………………… 135
6.4.5 車速檢測(cè)模塊………………………………………………………… 136
6.4.6 舵機(jī)控制模塊………………………………………………………… 138
6.4.7 電路制作……………………………………………………………… 140
6.5 軟件設(shè)計(jì)…………………………………………………………………… 146
6.5.1 初始化子程序………………………………………………………… 146
6.5.2 路徑識(shí)別子程序……………………………………………………… 149
6.5.3 路徑處理子程序……………………………………………………… 150
6.5.4 舵機(jī)控制子程序……………………………………………………… 153
6.5.5 速度控制子程序……………………………………………………… 155
6.6 課后思考…………………………………………………………………… 157
參考文獻(xiàn)…………………………………………………………………………… 157
第7章 基于攝像頭傳感器的自主循跡智能車設(shè)計(jì)……………………………… 158
7.1 設(shè)計(jì)要求…………………………………………………………………… 158
7.2 任務(wù)分析…………………………………………………………………… 158
7.3 機(jī)械設(shè)計(jì)…………………………………………………………………… 158
7.3.1 攝像頭傳感器的基本知識(shí)…………………………………………… 158
7.3.2 攝像頭傳感器的安裝………………………………………………… 161
7.4 硬件設(shè)計(jì)…………………………………………………………………… 162
7.4.1 單片機(jī)最小系統(tǒng)……………………………………………………… 162
7.4.2 供電電路……………………………………………………………… 163
7.4.3 路徑信息采集電路…………………………………………………… 163
7.4.4 電路制作……………………………………………………………… 166
7.5 軟件設(shè)計(jì)…………………………………………………………………… 168
7.5.1 初始化子程序………………………………………………………… 168
7.5.2 圖像采集子程序……………………………………………………… 170
7.5.3 圖像處理子程序……………………………………………………… 173
7.6 課后思考…………………………………………………………………… 176
參考文獻(xiàn)…………………………………………………………………………… 176