基于GUI的倒立摆动画控制仿真平台

资 源 简 介

本项目致力于构建一个集交互性与可视化为一体的MATLAB倒立摆控制仿真系统。 界面布局严格遵循用户需求，集成了1个用于显示状态信息的静态文本框、2个用于参数选择或模式切换的弹出式菜单、4个功能各异的任务按钮以及1个核心动画显示坐标轴。

详 情 说 明

倒立摆系统动画控制仿真平台

项目介绍

本项目是一个基于MATLAB开发的集成化倒立摆控制仿真系统。该平台旨在通过直观的图形用户界面（GUI），展示经典控制理论在非线性动力学系统中的应用。用户可以通过交互方式调整系统参数，并在实时动画中观察不同控制策略下倒立摆的稳定性和动态响应。

核心功能特性

1. 双重控制模式：

* LQR自动稳摆：采用线性二次型调节器算法，使摆杆在垂直位置保持平衡，并自动驱动小车追踪目标位置。 * 键盘手动控制：用户可以通过键盘左右方向键实时对系统施加推力，模拟手动平衡过程。

1. 实时动力学仿真：

* 采用高阶龙格-库塔方法（RK4）进行数值积分，确保物理模拟的准确性与平滑度。 * 内置完整的非线性动力学模型，考虑了小车质量、摆杆质量、长度及轨道摩擦系数。

1. 高度交互的GUI设计：

* 参数配置：提供轻量级、中等和重型三种预设质量配置，模拟不同载荷下的物理特性。 * 交互式目标追踪：允许用户在坐标轴上通过鼠标点击直接更改小车的目标位置，系统会实时响应。 * 实时监视器：动态显示位移、角度以及当前点击推力等状态信息。

1. 可视化视口管理：

* 具备视口自动跟随功能，当小车移动超出预设边界时，显示坐标轴会自动调整范围，确保观察连贯性。

使用方法

1. 启动：在MATLAB环境中运行代码，弹出主控制界面。
2. 配置：通过下拉菜单选择不同的“模型质量”或切换“控制模式”。
3. 开始：点击“开始仿真”按钮启动物理引擎和动画刷新。
4. 互动：

* 在自动模式下，点击坐标轴任意位置可改变小车停驻的目标点。 * 在手动模式下，按下键盘上的向左或向右方向键施加脉冲推力。

1. 重置与退出：使用“重置系统”恢复初始垂直向下的不稳定状态；点击“安全退出”并确认后关闭程序。

功能实现与逻辑分析

1. 系统初始化逻辑 程序启动后首先初始化全局变量结构体，定义小车和摆杆的物理参数（M、m、L、g、b）以及系统的初始状态向量。状态向量包含四个分量：小车位移、小车速度、摆杆角度（以垂直向上为0弧度）和摆杆角速度。

2. 物理引擎与数值积分 系统摒弃了简单的欧拉积分，采用了四阶龙格-库塔（RK4）算法。该算法通过在每个步长内计算四次斜率，能够以较大的步长获得较高的数值逼近精度，有效防止了倒立摆在高频振荡下的发散现象。

3. 非线性动力学模型 模型实现了完整的运动学方程，计算过程中考虑了摆杆转动惯量（4/3 mL²）以及小车与摆杆之间的耦合力。通过分母项的实时计算，准确反映了系统随摆杆角度变化而产生的非线性特性。

4. 控制算法实现

• LQR反馈：针对系统在线性化平衡点附近的状态，定义了反馈增益向量 $K = [-2.0, -3.5, 25.0, 5.0]$。通过计算当前状态与目标状态（包含目标位移变化）的误差，生成最优控制力 U，并将其限制在 ±50N 的安全范围内。
• 手动控制：键盘事件检测捕获按键流，在手动模式下赋予控制变量固定的冲量级数值，并引入 0.8 的衰减系数模拟力的消失过程，提供更真实的操控感。

5. 绘图与更新机制 动画刷新基于图形对象句柄操作。程序在主循环中使用 drawnow 命令和 pause 函数控制显卡交互频率（约50Hz）。小车由矩形对象实现，摆杆由直线对象实现。角度归一化逻辑确保摆杆在连续旋转时角度始终保持在 $[-pi, pi]$ 区间内，避免数值溢出。

系统要求

• 软件环境：MATLAB R2016b 或更高版本。
• 硬件要求：支持图形显示的个人电脑，推荐具备良好的 CPU 性能以维持高频动画刷新率。
• 交互设备：需要键盘（用于手动控制）和鼠标（用于目标点交互）。