控制系统仿真与实践案例式教程

第一篇 控制系统建模与仿真
第1章 直线一级倒立摆控制系统…………………………………………………… 1
1.1 倒立摆的基本组成…………………………………………………………… 1
1.2 倒立摆系统的建模…………………………………………………………… 2
1.3 直线一级倒立摆系统的定性分析…………………………………………… 6
1.3.1 系统的稳定性分析……………………………………………………… 6
1.3.2 系统的可控性分析……………………………………………………… 7
1.3.3 系统的可观性分析……………………………………………………… 8
1.3.4 系统的阶跃响应分析…………………………………………………… 8
1.4 直线一级倒立摆的PID控制设计…………………………………………… 9
1.4.1 PID的基本原理………………………………………………………… 9
1.4.2 PID参数整定…………………………………………………………… 10
1.4.3 数字式PID控制算法………………………………………………… 13
1.4.4 倒立摆系统PID控制器的仿真……………………………………… 14
1.5 直线一级倒立摆的LQR控制……………………………………………… 18
1.5.1 线性二次型最优控制理论……………………………………………… 18
1.5.2 倒立摆的LQR仿真…………………………………………………… 20
1.6 课后思考……………………………………………………………………… 23
参考文献…………………………………………………………………………… 23
第2章 磁悬浮球控制系统………………………………………………………… 25
2.1 磁悬浮球控制系统介绍……………………………………………………… 25
2.1.1 磁悬浮球控制系统的基本原理………………………………………… 25
2.1.2 电磁学理论基础………………………………………………………… 26
2.1.3 光电位置传感器分析…………………………………………………… 31
2.2 系统数学模型的建立……………………………………………………… 32
2.2.1 理论分析………………………………………………………………… 32
2.2.2 系统模型的线性化处理………………………………………………… 34
2.2.3 系统物理参数及其测量方法…………………………………………… 35
2.2.4 系统模型的建立………………………………………………………… 36
2.2.5 系统的基础分析………………………………………………………… 38
2.3 根轨迹控制设计……………………………………………………………… 39
2.3.1 基于根轨迹的相位超前校正…………………………………………… 40
2.3.2 基于根轨迹的相位滞后校正…………………………………………… 41
2.3.3 使用根轨迹法设计磁悬浮球系统控制器……………………………… 42
2.4 PID控制设计………………………………………………………………… 49
2.5 模糊PID控制设计………………………………………………………… 52
2.5.1 模糊控制算法的工作原理……………………………………………… 52
2.5.2 模糊控制算法的理论基础简述………………………………………… 53
2.5.3 模糊PID控制器的结构与参数……………………………………… 56
2.5.4 模糊PID控制器的实现……………………………………………… 59
2.6 课后思考……………………………………………………………………… 63
参考文献…………………………………………………………………………… 64
第3章 两轮直立车系统的自平衡控制…………………………………………… 65
3.1 直立车的基本组成…………………………………………………………… 65
3.2 直立车系统的建模…………………………………………………………… 66
3.2.1 受力分析………………………………………………………………… 67
3.2.2 关系式的建立…………………………………………………………… 69
3.2.3 线性化…………………………………………………………………… 71
3.3 直立车系统的仿真分析……………………………………………………… 73
3.4 PID仿真及参数整定………………………………………………………… 75
3.5 PID参数实物调试…………………………………………………………… 78
3.6 课后思考……………………………………………………………………… 81
参考文献…………………………………………………………………………… 82
第4章 三自由度直升机系统……………………………………………………… 83
4.1 系统概述…………………………………………………………………… 83
4.2 系统建模…………………………………………………………………… 83
4.2.1 俯仰轴………………………………………………………………… 84
4.2.2 横侧轴………………………………………………………………… 85
4.2.3 旋转轴………………………………………………………………… 85
4.3 控制系统设计………………………………………………………………… 86
4.3.1 PID理论仿真分析……………………………………………………… 86
4.3.2 LQR控制器的设计…………………………………………………… 90
4.4 课后思考……………………………………………………………………… 94
参考文献…………………………………………………………………………… 94
第二篇 测控系统设计与实现
第5章 温度控制系统的设计……………………………………………………… 95
5.1 设计要求……………………………………………………………………… 95
5.2 任务分析……………………………………………………………………… 96
5.3 电路设计……………………………………………………………………… 96
5.3.1 硬件总体框图…………………………………………………………… 96
5.3.2 单片机电路……………………………………………………………… 97
5.3.3 人机I/O模块………………………………………………………… 99
5.3.4 测温电路……………………………………………………………… 101
5.3.5 加热启停电路………………………………………………………… 102
5.3.6 电源电路……………………………………………………………… 104
5.4 电路仿真…………………………………………………………………… 104
5.5 电路制作…………………………………………………………………… 107
5.6 软件设计…………………………………………………………………… 107
5.6.1 主程序………………………………………………………………… 108
5.6.2 按键子程序…………………………………………………………… 109
5.6.3 测温子程序…………………………………………………………… 112
5.6.4 显示子程序…………………………………………………………… 117
5.6.5 温度控制子程序……………………………………………………… 118
5.7 系统调试…………………………………………………………………… 120
5.7.1 硬件调试……………………………………………………………… 120
5.7.2 软件调试……………………………………………………………… 121
5.8 课后思考…………………………………………………………………… 124
参考文献…………………………………………………………………………… 124
第6章 基于激光传感器的自主循迹智能车设计………………………………… 125
6.1 设计要求…………………………………………………………………… 125
6.2 任务分析…………………………………………………………………… 126
6.3 机械设计…………………………………………………………………… 126
6.3.1 传感器布局…………………………………………………………… 127
6.3.2 舵机的安装…………………………………………………………… 129
6.3.3 编码器的安装………………………………………………………… 130
6.4 硬件设计…………………………………………………………………… 131
6.4.1 单片机最小系统……………………………………………………… 131
6.4.2 供电电路……………………………………………………………… 132
6.4.3 路径信息采集电路…………………………………………………… 133
6.4.4 电机驱动电路………………………………………………………… 135
6.4.5 车速检测模块………………………………………………………… 136
6.4.6 舵机控制模块………………………………………………………… 138
6.4.7 电路制作……………………………………………………………… 140
6.5 软件设计…………………………………………………………………… 146
6.5.1 初始化子程序………………………………………………………… 146
6.5.2 路径识别子程序……………………………………………………… 149
6.5.3 路径处理子程序……………………………………………………… 150
6.5.4 舵机控制子程序……………………………………………………… 153
6.5.5 速度控制子程序……………………………………………………… 155
6.6 课后思考…………………………………………………………………… 157
参考文献…………………………………………………………………………… 157
第7章 基于摄像头传感器的自主循迹智能车设计……………………………… 158
7.1 设计要求…………………………………………………………………… 158
7.2 任务分析…………………………………………………………………… 158
7.3 机械设计…………………………………………………………………… 158
7.3.1 摄像头传感器的基本知识…………………………………………… 158
7.3.2 摄像头传感器的安装………………………………………………… 161
7.4 硬件设计…………………………………………………………………… 162
7.4.1 单片机最小系统……………………………………………………… 162
7.4.2 供电电路……………………………………………………………… 163
7.4.3 路径信息采集电路…………………………………………………… 163
7.4.4 电路制作……………………………………………………………… 166
7.5 软件设计…………………………………………………………………… 168
7.5.1 初始化子程序………………………………………………………… 168
7.5.2 图像采集子程序……………………………………………………… 170
7.5.3 图像处理子程序……………………………………………………… 173
7.6 课后思考…………………………………………………………………… 176
参考文献…………………………………………………………………………… 176