基于Quanser平台的旋转单级倒立摆控制系统的研究与实现

戴 彦，吕宏丽

(唐山学院a.河北省智能数据信息处理与控制重点实验室；b.唐山市智能运动控制系统重点实验室，河北 唐山 063000)

0 引言

在控制系统传统设计中，多通过纯数字仿真的方式对系统进行分析，而纯数字仿真大都以近似的数学模型为基础，往往由于对一些参数的忽略而得不到理想的控制效果，甚至会出现仿真的结果与实际应用的效果相差很大的情况[1-2]。为解决该问题，可以考虑把实际系统放置在仿真系统中进行研究，此过程称为半实物仿真[3-5]。加拿大Quanser公司开发的Quanser平台即可以把控制对象引入仿真系统中，通过Quanser的实时内核实现控制器参数的在线调整。倒立摆系统是典型的高阶次、多变量、强耦合的非线性系统。对倒立摆系统的仿真研究能有效反映许多关键问题，如非线性、鲁棒性、跟踪问题等。因此，本文基于Quanser平台，在Matlab/Simulink中搭建旋转单级倒立摆的实时仿真与控制平台。

1 旋转单级倒立摆系统动力学模型

旋转单级倒立摆系统模型如图1所示。旋转臂转轴连接于直流伺服电机SRV02系统上，且可被其驱动。该臂长度为Lr，转动惯量为Jr。当旋转臂逆时针旋转时，旋转臂旋转角θ增大。当直流电机电压为正时，旋转臂转向逆时针方向。摆杆与旋转臂的末端相连，长度为Lp，质心在Lp/2处，质心的转动惯量为Jp。当摆杆完全处于直立即在垂直位置时，其摆杆角度α为0；当它转向逆时针方向时，则摆杆角度α增大。

图1 旋转单级倒立摆系统模型

由图1可知，旋转单级倒立摆系统的动能可由四部分组成：旋转臂在水平面内的转动动能、摆杆在竖直平面内的转动动能、摆杆质心在水平面内的移动动能、摆杆质心在竖直平面的移动动能。……