基于LabVIEW的倒立摆控制系统的设计与实现

摘  要： 基于NI公司的PXI-1050工控机和PXI-7344运动控制卡，在LabVIEW环境下开发了直线二级倒立摆LQR控制系统的仿真与实时控制实验平台。该平台提供了LQR控制器的设计与仿真验证工具，以及实时监控环境，同时利用LabVIEW软件中的3D控件设计了可视化的人机交互界面。该平台可以为控制理论研究与教学提供良好的硬件在环实验环境，操作方便并且具有一定的开放性。
关键词： 倒立摆；最优控制；运动控制卡；硬件在环；人机交互
   　LabVIEW是由美国国家仪器公司(NI)开发的一种图形化编程语言，它广泛地被工业界、学术界和研究实验室所接受，视为一个标准的数据采集和仪器控制软件，具有可视化、编程方便等特点[1]。NI公司的PXI-1050工控机带有8个PXI插槽，配合图像处理、数据采集、运动控制、嵌入式系统等模块，可以构成快速原型开发系统。在PXI-1050工控机上，利用LabVIEW软件可以开发硬件在环仿真实验平台。与MATLAB软件工具相比较，LabVIEW在硬件接口驱动、人机交互界面的设计方面更为方便。
　倒立摆是一种典型的非线性不稳定系统，在控制理论算法验证和课程教学中，将倒立摆作为经典被控对象开发的实验装置有广泛的应用价值。本文以LQR控制算法为例，介绍了直线二级倒立摆控制系统的设计与实现。该系统提供了一个控制器设计、仿真和实时控制实验平台。根据二次型最优指标，用户可以进行控制器参数设计、仿真调试和倒立摆的实时控制验证，并且通过倒立摆3D模型和响应曲线图直观地显示实际倒立摆运动情况。
1 二级直线倒立摆的数学模型
　二级倒立摆物理系统是由小车和安装在小车上的一级摆杆和二级摆杆组成。其中实际模型的参数如表1所示。