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《倒立摆系统课程设计》课程教学大纲
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课程名称及编号: 倒立摆系统课程设计（AU325） |
学分 / 学时：2 |
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主讲教师（姓名、职称）: 赵群飞 |
授课语言: 中文 |
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必修/选修: 必修 |
开课时间: 秋季 |
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适用专业：自动化专业（控制科学与控制工程） |
开课单位：自动化系 |
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授课方式: 课堂+仿真+上机实验 |
考核方式: 课堂考勤20%，实验及报告 80% |
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先修课程: 《自动控制理论》,《现代控制理论》 |
后修课程 |
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课程简介: 倒理摆是理想的自动控制教学实验设备，使用它能全方位的满足自动控制教学的要求，许多抽象的控制概念，如系统稳定性、可控性、系统收敛速度和系统抗干扰能力等，都可以通过倒立摆很直观地表现出来。 |
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课程培养目标 ： 实验用倒立摆系统采用了运动控制器和伺服电机进行实时运动控制，让同学们理解和掌握机电一体化产品的部件特征和系统集成方法。本课程要求用多种控制方法完成控制器设计任务，包括理论分析、系统建模、控制算法的设计、MATALAB仿真以及实际系统的调试。对毕业要求主要贡献为： 3.4．具备过程控制系统、计算机控制系统设计的基本能力,具有解决相应复杂工程问题的能力。 4.4．能够设计针对复杂工程问题的解决方案,能在设计环节中体现创新意识，考虑社会、健康、安全、法律、文化以及环境等因素 |
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教学要求： 本课程既有计算机仿真设计，又有实时系统的调试。含有较多的数学推导和理论分析，同时对动手实验能力有较高的要求。希望学生逐步学会自己从前人研究问题、分析问题的过程、演绎推导的结果中，提高解决实际控制系统的设计能力；同时希望学生通过研究式的钻研、探索乃至犯错误的过程中，培养从错纵复杂的现象事理和繁杂无序的结果数据中，寻找与总结内在关系和规律的能力，并且体会自动控制科学研究的艰辛和乐趣，培养在科学研究上精益求精、坚忍不拔的态度。
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撰写者: 赵群飞 发布时间: 2014.7
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一、课程性质和教学目标
倒立摆实验是理想的自动控制教学实验设备，使用它能全方位地满足自动控制教学的要求.许多抽象的控制概念如系统稳定性、可控性、系统收敛速度和系统抗干扰能力等，都可以通过倒立摆直观地表现出来。通过对倒立摆系统的研究，不仅可以解决控制中的理论问题，还能将控制理论所涉及的三个基础学科：力学、数学和电学（含计算机）有机的结合起来，在倒立摆系统中进行综合应用，让学生明白一个自然不稳定的被控对象，运用控制手段可使之具有良好的稳定性。
倒立摆系统采用了运动控制器和伺服电机进行实时运动控制，让学生理解和掌握机电一体化产品的部件特征和系统集成方法，具备过程控制系统、计算机控制系统设计的基本能力,具有解决相应复杂工程问题的能力。
本课程要求用多种控制方法完成设计任务，包括系统建模、控制算法的设计、理论分析、MATLAB仿真以及实际系统的调试。
二、课程教学内容及学时分配
第一章 倒立摆系统（4）
倒立摆系统的特性.
倒立摆系统的分类
QNET—011 ROTPEN 倒立摆实验系统的组成。
第二章 一级倒立摆的数学模型（4）
微分方程的推导。
传递函数的推导。
状态空间方程。
开环系统分析。
第三章 一级倒立摆系统的状态空间极点配置法（3）
状态空间法的数学模型。
根据极点配置法确定反馈系数。
MATLAB语言仿真。
系统仿真结果的分析。
第四章 一级倒立摆系统线性二次型最优化控制法（3）
LQR法数学原理分析。
LQR控制器的设计与调节。
MATLAB语言仿真。
加权矩阵Q和R值的调整。
系统仿真结果的分析。
第五章 一级倒立摆系统的PID控制算法设计（3）
理论分析及模型的建立。
PID控制器的设计及参数整定。
MATLAB语言仿真。
系统仿真结果的分析。
第六章 单轴倒立摆系统的根轨迹控制算法（3）
根轨迹法的理论分析。
系统校正器的设计方法。
MATLAB语言仿真。
系统仿真结果的分析。
实际系统的调试和分析。
实验（上机）内容和基本要求 （8）
本课程以实验和上机作为主要的教学安排，要求学生结合第三章至第六章的控制器设计方法，在GIP－100－L系统上完成实时控制系统的调试，熟悉系统参数的调试方法。
实验数据分析和撰写实验报告（4）
把从 MATLAB仿真仿真结果中总结出控制器的参数和系统动特性与实验中获得的特性及参数对比，分析其差别的原因。
三、教学方法
课堂教学，分组设计与仿真分析，实验设计方案验证答辩，上机实验。
四、考核及成绩评定方式
课堂考勤20%，实验及报告 80%
五、教材及参考书目
《GIP-100-L倒立摆控制设计》(讲义)2001
大纲撰写人：赵群飞