基于PID控制的一级倒立摆系统的研究

本科生毕业设计（论文）论文题目：基于PID控制的一级倒立摆系统的研究姓名：学院：专业：班级、学号：指导教师：摘要本文的研究对象为一级倒立摆系统，主要是基于PID控制的一级倒立摆控制系统的设计。利用PID参数整定的多种方法对PID的三个参数进行调节，并对其优化，然后用利用Matlab对其进行仿真，并对最后仿真图的结果进行分析与比较。倒立摆是一种典型的非线性、多变量、强耦合、快速的、自然不稳定的系统。在实际生产生活中有很多类似的系统，故研究一级倒立摆系统的PID控制具有很大的实际意义。本文介绍了多种PID参数整定算法，主要采用了的是Z-N整定法，并详细介绍了PID参数整定算法的相关理论和具体操作方法。在本文中还建立了一级倒立摆的数学模型和物理模型。本文着重讲述了Z-N整定法和试凑法对PID三个参数的进行优化的具体方法。用Matlab对一级倒立摆系统进行了仿真，并且比较这些方法的优缺点，对最后的仿真图结果研究和分析。得出PID参数整定方法的优缺点。关键词：PID控制器参数整定一级倒立摆Matlab仿真AbstractObjectofthispaperisaninvertedpendulumsystemismainlybasedonPIDcontrolaninvertedpendulumcontrolsystemdesign.UseavarietyofPIDparametertuningmethodtoadjustthethreeparametersofPID,anditsoptimization,andthenusethemusingmatlabsimulation,andtheresultsofthelastsimulationdiagramanalysisandcomparison.Invertedpendulumisatypicalnon-linear,multi-variable,strongcoupling,fast,naturallyunstablesystem.Inreallifetherearealotofsimilarproductionsystems,itisofaninvertedpendulumsystemPIDcontrolhasgreatpracticalsignificance.ThisarticledescribesavarietyofPIDparametertuningalgorithm,themainuseoftheZ-Nentiretitration,anddetailsofthePIDparametertuningalgorithmsrelatedtheoryandspecificmethodsofoperation.Inthisarticle,alsoestablishedamathematicalmodeloftheinvertedpendulumandphysicalmodels.ThispaperfocusesontheZNTuningMethodforPIDandgeneticalgorithmstooptimizethethreeparametersofspecificmethods.UsingMatlabonaninvertedpendulumsystemissimulated,andcomparetheadvantagesanddisadvantagesofthesemethods,drawingonthefinalresultsofthesimulationstudyandanalysis.DrawtwodifferentPIDparametertuningmethodadvantagesanddisadvantages.Keywords:PID(ProportionIntegrationDifferentiation)controllerParametertuningAninvertedpendulumMatlabsimulation目录摘要.........................................................................................................IAbstract....................................................................................................II1绪论.................................................11.1课题的研究背景及意义........................................11.2国内外的研究现状............................................21.3本文的主要内容..............................................32PID控制器参数整定法..................................42.1PID控制器的原理............................................42.2PID参数整定方法............................................52.3PID控制器的参数整定.......................................142.4PID控制的特点.............................................153直线一级倒立摆系统的建模.............................173.1倒立摆系统的简介...........................................173.2一级倒立摆系统数学模型的建立...............................183.3倒立摆系统的的控制方法.....................................204直线一级倒立摆的PID控制器设计及仿真.................224.1基于Z-N整定法的PID控制器设计与仿真.......................224.2基于试凑法的PID控制器设计与仿真...........................244.3仿真结果的分析.............................................255结论................................................26致谢...................................错误!未定义书签。参考文献...............................................2711绪论1.1课题的研究背景及意义从最初的倒立摆概念提出，再到Bang-Bang的稳定控制，然后到状态反馈的理论，再到今天的模糊控制和神经网络。现在关于倒立摆的研究已经进入到了一个相对成熟的阶段。而关于PID的参数整定有很多种整定方法，不同的情况适应不同的整定方法。每种整定方法的结果并不一致，所以就需要我们比较从而找出一种最适合的。一级倒立摆系统是一种典型的、非线性、多变量、强耦合、快速的、自然不稳定的系统，这种系统在实际的生产生活中很常见。PID控制器是工业领域最常用的控制器，它的优点主要有以下方面，工作原理简单，使用比较方便;适应性强，应用广泛;鲁棒性强，控制品质受被控对象特性的变化影响较小。PID的几种控制思想：自适应控制思想和常规PID控制器相结合的自适应PID控制或自校正PID控制。智能控制与常规控制结合的智能PID控制。模糊PID控制。神经网络PID控制。预测PID控制。时至今日，PID控制技术在工业控制中仍然占有主导地位。所以对PID控制的一级倒立摆系统的研究具有很大的实际意义。首先，关于一级倒立摆系统的研究要先建立力学平衡的传递函数以及状态空间表达式等数学模型和物理模型，接着分析它的稳定性和客观可控性。最后运用一种或几种PID参数整定方法、系统频率响应分析与校正。最后在Matlab上进行仿真，比较几种算法的效果差别。从某种程度上来说，有关倒立摆的研究不仅有理论意义，而且还有一些工程背景，工程实践中，往往有些可行性的实验问题，倒立摆就可以起到桥梁作用能够使它的理论与方法得到检验。通过对一级倒立摆的系统的控制，我们检验了一些控制方法以及它们是否具有比较强的处理非线性和不稳定性问题的能力；这些控制方法在航天科技、军工制造以及机器人和一般的工业领域都有广泛的应用。在通过对一级倒立摆系统的不断研究中，总结一些非线性、多变量、强耦合、快速的、自然不稳定系统的特性。为我们进行新的课题研究提供了一个很好的参考平台。2目前，PID控制器或智能PID控制器很多，产品在实际生产中得到广泛应用，各大公司相继开发了具有PID参数自整定功能的智能调节器，PID控制器参数的调整通过自校正、自适应算法和智能化调整来实现。不仅有用PID控制的温度、液位、流量和压力控制器，还有可以实现PID控制功能的可编程控制器，以及PID控制的PC系统等。可编程控制器是用闭环控制来进行PID控制，可编程控制器直接与ControlNet相连，例如Rockwell的Logix产品系列，它可以直接与ControlNet相连，利用网络来实现其远程控制功能。1.2国内外的研究现状关于倒立摆系统的研究始于20世纪50年代，初期主要研究直线倒立摆的建模和摆杆的平衡控制（镇定问题），伴随着现代控制理论的不断发展，尤其是多变量线性系统理论及最优理论的发展，80年代后期模糊控制理论被用来控制倒立摆，90年代初神经控制倒立摆的研究发展迅速，它以自学习为基础，信息处理则采用了一种全新概念。此后，倒立摆的研究取得了许多实质性的突破。国内的有关倒立摆系统的研究开始比较晚，1982年西安交通大学实现了对二级倒立摆的控制，他们采用最优控制和降纬观测器。1983年国防科技大学实现了对一级倒立摆系统的控制；1987年上海机械学院完成了一、二级倒立摆系统的研究，实现了在倾斜轨道上对二级倒立摆的控制。1994年张明廉领导的课题组实现了由单电机控制的三级倒立摆。1995年任章等用振荡控制理论改善倒立摆系统的稳定性。1996年翁正新等用H∞状态的反馈控制器对二级倒立摆系统进行仿真控制，次年他们又用相同的方法实现了二级倒立摆在倾斜轨道上的仿真控制。1998年蒋国飞等将Q学习算法和BP算法神经网络结合，对状态未离散化的倒立摆的无模型学习控制。2001年单波等用基于神经网络的预测控制算法对倒立摆的控制进行了仿真。目前我国的倒立摆研究已是世界尖端水平，李德毅最早提出了“隶属云”，成功用该理论对三级倒立摆进行智能控制；李洪兴也对三级倒立摆进行智能控制。2002年李洪兴用变论域自适应模糊控制算法，对四级倒立摆实物系统进行控制。次年，复杂系统智能控制实验室用变论域自适应控制理论对平面运动二级倒立摆实物系统进行控制，2003年他们率先对平面三级倒立摆实物系统进行控制。国外学者早在上世纪60年代就开始了对倒立摆系统的研究。1966年Schacfer3等运用Bang-Bang控制原理实现了对一级倒立摆的稳定控制。1972年Sturegeon和Loscutoff运用极点配置法并使用了全纬观测器对二级倒立摆设计了模拟控制器。1976年S.Mori等设计的前馈-反馈负荷控制器实现了一级倒立摆的稳定控制，并设计出比例微分控制器。1977年日本K.Furuta领导的研究组稳定了二维一级倒立摆，次年他们运用微机处理实现了二级倒立摆的控制，1980年他们对在倾斜轨道上的二级倒立摆进行了稳定控制，四年后他们又运用最优状态调节器对双电机的三级倒立摆进行控制，并且实现