Matlab 仿真——单自由度倒立摆（3）PID控制器设计

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我是靠谱客的博主羞涩火龙果，最近开发中收集的这篇文章主要介绍Matlab 仿真——单自由度倒立摆（3）PID控制器设计，觉得挺不错的，现在分享给大家，希望可以做个参考。

概述

文章目录

- 0. 受控对象与设计要求
- - 0.1 受控对象
  - 0.2 设计要求
- 1. 控制系统结构
- 2. PID控制器设计
- 3. 那小车呢？
- 4. 几个问题
- 5. 参考

0. 受控对象与设计要求

这里列出上一篇文章的结果

0.1 受控对象

$P_{pend}(s) = frac{Phi(s)}{U(s)}=frac{frac{ml}{q}s}{s^3+frac{b(I+ml^2)}{q}s^2-frac{(M+m)mgl}{q}s-frac{bmgl}{q}} qquad [ frac{rad}{N}]$
$P_{cart}(s) = frac{X(s)}{U(s)} = frac{ frac{ (I+ml^2)s^2 - gml } {q} }{s^4+frac{b(I+ml^2)}{q}s^3-frac{(M+m)mgl}{q}s^2-frac{bmgl}{q}s} qquad [ frac{m}{N}]$
其中：
$q=[(M+m)(I+ml^2)-(ml)^2]$

0.2 设计要求

对于倒立摆，当小车受到1Nsec的冲激响应的时候：

θ的稳定时间 < 5s
|θ-θ0| < 0.05 radians

对于整个系统，当小车收到0.2m的阶跃信号的时候：

x 与 θ 的稳定时间 < 5s
x 的上升时间 < 0.5s
|θ-θ0| < 0.05 radians （也就是20°）
对于x和θ来说，稳态误差 < 2%

1. 控制系统结构

在这里插入图片描述
上图是我们常用的控制器结构。但是因为这里我们希望倒立摆尽可能地抵抗干扰F，从而保持平衡在垂直位置，系统的输入为零。这种0输入，抵抗干扰的控制问题我们一般统称为 Regulator problem。通过简单的变形，我们得到新的控制系统框图：
在这里插入图片描述
该系统的转换方程为：
$frac{P_{pend}(s)}{1 + C(s)P_{pend}(s)}$
在开始设计PID控制器之前，我们先在Matlab里面定义好我们的受控对象

M = 0.5;
m = 0.2;
b = 0.1;
I = 0.006;
g = 9.8;
l = 0.3;
q = (M+m)*(I+m*l^2)-(m*l)^2;
s = tf('s');
P_pend = (m*l*s/q)/(s^3 + (b*(I + m*l^2))*s^2/q - ((M + m)*m*g*l)*s/q - b*m*g*l/q);

2. PID控制器设计

通过观察控制系统框图，我们发现控制器在反馈线上，因此我们可以用Matlab自带的feedback函数来组成带有PID控制的新系统（这里我们先随机定三个PID参数）：

Kp = 1;
Ki = 1;
Kd = 1;
C = pid(Kp,Ki,Kd);
T = feedback(P_pend,C);

干扰F在新系统里面变成了输入，现在我们看一下新系统受到冲激干扰时的响应：

t=0:0.01:10;
impulse(T,t)
title({'Response of Pendulum Position to an Impulse Disturbance';'under PID Control: Kp = 1, Ki = 1, Kd = 1'});

输出结果
在这里插入图片描述
系统依旧不收敛，我们尝试增大P参数

Kp = 100;
Ki = 1;
Kd = 1;
C = pid(Kp,Ki,Kd);
T = feedback(P_pend,C);
t=0:0.01:10;
impulse(T,t)
axis([0, 2.5, -0.2, 0.2]);
title({'Response of Pendulum Position to an Impulse Disturbance';'under PID Control: Kp = 100, Ki = 1, Kd = 1'});

输出结果
在这里插入图片描述
系统稳定了，有点震荡。对比我们的设计要求，稳态误差和稳定时间都满足了要求。但是超调很高，超出了0.05弧度的限制。对付超调我们可以通过适当增大D参数来实现。经过几轮尝试，我们最终确定Kp=100，Ki=1，Kd=20，新的输出：
在这里插入图片描述
此时，我们设计的PID控制器已经满足所有设计要求。

3. 那小车呢？

上述讨论中系统框图其实是不完整的，因为该系统是单输入双输出系统。而我们并没有考虑小车的位置，一个完整的系统框图其实如下：
在这里插入图片描述
重新整理一下框图得到;

因此我们可以得到加了PID控制器后的新系统中小车位置相对于扰动F的转换方程：
$T_2(s) = frac{X(s)}{F(s)} = frac{P_{cart}(s)}{1 + P_{pend}(s)C(s)}$
其中 $P c a r t (s)$ 与 $C (s)$ 已知，于是可以获得该系统转换方程以及冲激响应：

P_cart = (((I+m*l^2)/q)*s^2 - (m*g*l/q))/(s^4 + (b*(I + m*l^2))*s^3/q - ((M + m)*m*g*l)*s^2/q - b*m*g*l*s/q);
T2 = feedback(1,P_pend*C)*P_cart;
t = 0:0.01:5;
impulse(T2, t);
title({'Response of Cart Position to an Impulse Disturbance';'under PID Control: Kp = 100, Ki = 1, Kd = 20'});