倒立擺畢業(yè)設(shè)計開題報告

1、 山 東 科 技 大 學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計（論文）開題報告題 目 基于matlab的一級倒立擺的控制器設(shè)計與仿真學(xué) 院 名 稱 電 氣 信 息 系 專 業(yè) 班 級 電氣工程及其自動化2010-4 學(xué) 生 姓 名 路 琨 學(xué) 號 201003201412 指 導(dǎo) 教 師 牛 君 填表時間：2012年3 月29 日設(shè)計（論文）題目基于matlab的一級倒立擺的控制器設(shè)計與仿真設(shè)計（論文）類型（劃“”）工程設(shè)計應(yīng)用研究開發(fā)研究基礎(chǔ)研究其它一、 本課題的研究目的和意義倒立擺系統(tǒng)是一個典型的多變量、非線性、強(qiáng)耦合和快速運(yùn)動的高階1不穩(wěn)定系統(tǒng)，它是檢驗各種新型控制理論和方法有效性的典型裝置。近年來，許多學(xué)者對倒

2、立擺系統(tǒng)進(jìn)行廣泛地研究。在控制理論發(fā)展的過程中，某一理論的正確性及實際應(yīng)用中的可行性2需要一個按其理論設(shè)計的控制器去控制一個典型對象來驗證。倒立擺的典型性在于作為一個裝置，成本低廉，結(jié)構(gòu)簡單，便于模擬和數(shù)字多種不同方式控制；作為一個被控對象，又相當(dāng)復(fù)雜，是高階次，不穩(wěn)定，多變量，非線性，強(qiáng)耦合系統(tǒng)。只有采用行之有效的控制方法才能使之穩(wěn)定。倒立擺系統(tǒng)穩(wěn)定效果非常明了，可以通過擺動角度、位移和穩(wěn)定時間直接度量，控制效果一目了然。因此，倒立擺系統(tǒng)在控制理論研究中是一種較為理想的實驗裝置1。倒立擺的研究可歸納為對非線性多變量絕對不穩(wěn)定系統(tǒng)的研究，其控制方法和思路對處理一般工業(yè)過程也有廣泛的用途。近年來

3、國內(nèi)外專家學(xué)者對倒立擺進(jìn)行了大量的研究，人們試圖尋找不同的控制方法實現(xiàn)對倒立擺的控制，以便驗證該方法對嚴(yán)重非線性和絕對不穩(wěn)定系統(tǒng)的控制能力3。倒立擺的控制方法在軍工、航天、機(jī)器人領(lǐng)域和一般工業(yè)過程中都有著廣泛的用途，且對于揭示定性定量轉(zhuǎn)換規(guī)律和策略具有普遍意義，因此對倒立擺系統(tǒng)的研究具有重要的理論和實踐意義2。在歐美發(fā)達(dá)國家的高等院校，它已經(jīng)成為必備的控制理論教學(xué)實驗設(shè)備4。學(xué)生通過倒立擺系統(tǒng)實驗來驗證所學(xué)的控制理論和算法，非常的直觀、簡便，在輕松的實驗中對所學(xué)的課程加深了理解。2、 本課題的主要研究內(nèi)容 本文主要是圍繞一級倒立擺系統(tǒng)，首先介紹了直線一階倒立擺的物理結(jié)構(gòu)，分析其受力情況，并在一

4、定假設(shè)條件下，建立一階級倒立擺系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型，并對其進(jìn)行線性化，初步分析其運(yùn)動特性。其次運(yùn)用極點配置理論設(shè)計極點配置算法與控制器；運(yùn)用線性二次型最優(yōu)控制原理結(jié)合合適的q,r陣求解最優(yōu)控制矩陣并設(shè)計最優(yōu)控制（lqr）方案。然后根據(jù)已經(jīng)建立的系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型，運(yùn)用matlab的simulink工具對極點配置控制方案和線性二次型最優(yōu)控制（lqr）方案進(jìn)行控制系統(tǒng)的仿真，得出仿真結(jié)果即各個輸出量的波形，同時可利用編寫的s函數(shù)5仿真動畫觀察仿真結(jié)果。目的是通過設(shè)計加深對所學(xué)自動控制課程的理解，培養(yǎng)理論聯(lián)系實際的能力。為進(jìn)一步學(xué)習(xí)更高層次的控制理論奠定基礎(chǔ)。三、文獻(xiàn)綜述（國內(nèi)外研究情況及其發(fā)展）國外在60年代

5、就開始了對一級倒立擺系統(tǒng)的研究6，在60年代后期，作為一個典型的不穩(wěn)定、嚴(yán)重非線性例證提出了倒立擺的概念，并用其檢驗控制方法對不穩(wěn)定、非線性和快速性系統(tǒng)的控制能力。1966年schaefer和cannon應(yīng)用bang-bang7控制理論，將一個曲軸穩(wěn)定于倒置位置；s.mori5等人于1975年采用最優(yōu)控制和狀態(tài)重構(gòu)的方法完成對一級倒立擺的穩(wěn)定控制。國外對二級以上倒立擺的研究從70年代開始，1972年sturgen等人采用線性控制模擬電路實現(xiàn)了二級倒立擺的控制5，其線性狀態(tài)反饋采用極點配置的方法獲得，并采用全維狀態(tài)觀測器來重構(gòu)了狀態(tài)；1978年，k.furuta等人采用微機(jī)處理實現(xiàn)了二級倒立擺的

6、控制，1980年他們又完成了二級擺在傾斜軌道上的穩(wěn)定控制5；1983年，k.furuta等人又實現(xiàn)了雙電機(jī)三級倒立擺的穩(wěn)定控制8。國內(nèi)從80年代開始對倒立擺進(jìn)行了研究，1982年，西安交通大學(xué)完成了二級倒立擺系統(tǒng)的研制和控制，采用了最優(yōu)控制和降維觀測器，以模擬電路實現(xiàn)；1983年，國防科技大學(xué)完成了一級倒立擺系統(tǒng)的研制和控制；1987年，上海機(jī)械學(xué)院完成了一、二級倒立擺系統(tǒng)的研制，并且完成了二級倒立擺在傾斜軌道上的控制。近年來，隨著智能控制方法的研究逐漸受到人們的重視，模糊控制、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、擬人智能控制、遺傳算法和專家系統(tǒng)等越來越多的智能控制算法應(yīng)用到倒立擺動系統(tǒng)的控制上。charies w.a

7、ndorson在1988年應(yīng)用自學(xué)習(xí)模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)9成功控制一級擺；周建波等用基于bp網(wǎng)絡(luò)2的規(guī)則控制也解決了單擺的穩(wěn)定性控制問題；徐紅兵等提出了基于變結(jié)構(gòu)的模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制算法，實現(xiàn)了二級倒立擺系統(tǒng)的穩(wěn)定性控制；1995年，張明廉2等人應(yīng)用擬人智能控制理論成功的解決了三級倒立擺這一控制界的世界性難題；2001年9月19日，北京師范大學(xué)李洪興教授領(lǐng)導(dǎo)的復(fù)雜系統(tǒng)實時智能控制實驗室采用變論域自適應(yīng)模糊控制5成功地實現(xiàn)了三級倒立擺實物系統(tǒng)控制，又于2002年8月11日在國際上首次成功實現(xiàn)了四級倒立擺實物控制系統(tǒng)。四、擬解決的關(guān)鍵問題本設(shè)計主要完成倒立擺的仿真設(shè)計和實現(xiàn)，需要解決的關(guān)鍵問題如下：(1)

8、分析倒立擺的受力情況，建立一階級倒立擺系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型。(2) 確定系統(tǒng)各項參數(shù)得到仿真模型。(3) 運(yùn)用極點配置理論設(shè)計極點配置算法與控制器。(4) 運(yùn)用線性二次型最優(yōu)控制原理求解最優(yōu)控制矩陣并設(shè)計最優(yōu)控制（lqr）方案。(5) 運(yùn)用matlab的simulink工具對極點配置控制方案和線性二次型最優(yōu)控制（lqr）方案進(jìn)行控制系統(tǒng)的仿真。(6) 比較兩種控制方法的優(yōu)缺點，得出結(jié)論。六、課題的進(jìn)度安排 01-02周：安排畢業(yè)設(shè)計計劃，分配設(shè)計任務(wù)。 02-03周：了解本課題設(shè)計要求，針對倒立擺系統(tǒng)學(xué)習(xí)相關(guān)知識； 04-05周：完成開題報告以及相關(guān)知識點的掌握；掌握倒立擺系統(tǒng)仿真的整體思路；收集整

9、理matlab仿真所需的資料。 06-11周：學(xué)生完成極點配置和線性最優(yōu)二次型控制器設(shè)計；在matlab中完成仿真。 11-14周：完成學(xué)生完善控制效果，分析輸出結(jié)果，得出仿真結(jié)論；翻譯英文文獻(xiàn)資料. 15-16周：編寫畢業(yè)設(shè)計論文和準(zhǔn)備畢業(yè)答辯。七、參考文獻(xiàn) 1 自動控制原理 第五版 胡壽松 主編 科學(xué)出版社 2011年5月出版 2 現(xiàn)代控制理論(第3版)劉豹 唐萬生 主編 機(jī)械工業(yè)出版社 2011年5月出版 3 matlab在控制系統(tǒng)中的應(yīng)用 張靜等編著 電子工業(yè)出版社 2007年05月出版 4 倒立擺與自動控制原理實驗 固高科技（深圳）有限公司 編著 2005 5 matlab 控制系統(tǒng)仿真與設(shè)計 熊錫義 主編 機(jī)械工業(yè)出版社 2010年11月出版 6 matlab/simulink建模與仿真實例精講 張德豐等編著 機(jī)械工業(yè)出版社 2010年01月出版 7 基于matlab的一階倒立擺控制系統(tǒng)建模與仿真 陽武嬌 電子元器件應(yīng)用 第9卷第1期 2007年1月 8 inverted pendulum matlab manual sheldon logan，july 2,2006 9 the inverted pendulum