单级倒立摆控制器设计与实现(本科毕业论文)

毕业设计（论文）题目单级倒立摆控制器设计与实现专业电气工程及其自动化班级自动化101学生××指导教师××2014年西安理工大学本科生毕业设计（论文）单级倒立摆控制器设计与实现专业：电气工程及其自动化班级：自动化101作者：指导教师：职称：答辩日期：2014-6-22摘要自然界中的许多系统都是非线性的，单级倒立摆系统（SingleLevelInvertedPendulumSystem）就是一个典型多变量、不稳定和强耦合的非线性系统。它的这些特性使得许多抽象的控制理论概念如系统稳定性、可控性等等，都可以通过单级倒立摆系统实验直观的表现出来。而作为实验装置，倒立摆又具有成本低廉、结构简单、便于模拟、形象直观的特点。因此，目前许多控制理论的研究人员一直将它视为典型的研究对象，用于验证控制方法的正确性。本设计首先建立倒立摆系统的数学模型，在熟悉线性系统的基本理论和非线性系统线性化的基本方法的基础上确定研究方案和实施的控制方法。通过MATLAB软件对倒立摆进行仿真实验，实现了倒立摆的平衡控制。并在此仿真实验的基础上使用硬件设备进行实际控制。周冰：单级倒立摆控制器设计与实现关键词：单级倒立摆；控制方法；MATLAB；仿真；硬件AbstractManyofthenaturalworldSystemarenonlinear,andSinglelevelInvertedPendulumSystemisatypicalvariable,stableandstrongcouplingnonlinearSystem.Thesepropertiesmakemanyabstractconceptsofcontroltheorysuchasstability,controllabilityandsoon,canallintuitiveexpressioncomesoutthroughthesingleinvertedpendulumsystemexperiment.And,asanexperimentaldevice,ithassomecharacteristicsuchaslowcost,simpleinstructure,convenientinsimulation,imageintuitively.Therefore,nowmanytheresearchersofcontroltheoryarealwaystakeitasthetypicalresearchobject,usingtoprovethecorrectnessofthecontrolmethod.Inthispaper,firstofalltobuildingtheinvertedpendulummathematicsmodel,onthebasicofthefamiliarwiththebasictheoryoflinearsystemandthebasicmethodsofnonlinearsystemlinearization,determiningthesystemprogramoftheresearchandtheimplementationofthesystemcontrolmethod,astheallstatefeedbackcontrolofsinglestageoftheinvertedpendulum.ThroughtheprogrammingsoftwareMATLABsimulationexperiment,realizethebalancecontroloftheinvertedpendulum.Theexperimentalresultsverifythevalidityandfeasibilityofthecontrolmethodinthispaper.Keywords:SingleInvertedPendulumSystem；controlmethod；MATLAB；simulation；hardware西安理工大学本科生毕业设计（论文）1目录第一章绪论.................................................11.1引言................................................11.2倒立摆系统的研究背景及意义..........................21.3倒立摆系统国内外研究现状............................41.4倒立摆控制方法的发展趋势............................51.5论文主要内容........................................61.6本章小结............................................6第二章单级倒立摆的系统建模.................................82.1数学模型建立的基本方法..............................82.1.1数学模型的基本概念.............................82.1.2数学建模的基本概念............................82.1.3建立数学模型的基本方法........................92.2直线一级倒立摆系统的模型建立........................102.2.1直线一级倒立摆系统运动分析...................102.2.2直线一级倒立摆系统数学模型...................112.3旋转一级倒立摆的系统建模...........................132.3.1旋转倒立摆运动分析...........................132.3.2旋转倒立摆系统数学模型......................142.4系统的稳定性分析...................................182.5本章小结...........................................19第三章单级倒立摆的控制方法................................203.1系统概述...........................................20周冰：单级倒立摆控制器设计与实现23.2控制方法概述.......................................203.2.1线性系统理论控制方法.........................203.2.2智能控制理论.................................213.3PID控制器.........................................223.3.1PID控制原理..................................223.3.2PID参数的确定方法............................233.4状态反馈控制.......................................253.4.1状态反馈控制原理.............................253.4.2单级倒立摆系统可控性分析.....................273.4.3全状态反馈调节器的实现.......................283.5LQR控制...........................................283.5.1LQR原理.....................................283.5.2LQR的实现...................................303.6本章小结...........................................30第四章单级倒立摆的仿真及实物控制..........................314.1实验仪器介绍.......................................314.1.1设备实物图...................................314.2直线一级倒立摆的PID控制...........................334.2.1PID程序仿真结果图及实际控制图................334.2.2PID控制操作结果..............................354.2.3PID控制结果分析..............................354.3直线一级倒立摆的状态空间反馈控制...................364.3.1状态反馈程序仿真结果图及实时控制图...........364.3.2状态反馈控制结果.............................37西安理工大学本科生毕业设计（论文）34.3.3状态反馈结果分析.............................384.4直线一级倒立摆的LQR控制...........................384.4.1LQR程序仿真结果及实时控制图..................384.4.2LQR控制操作结果..............................404.4.3LQR控制结果分析..............................414.5旋转一级倒立摆的LQR控制...........................414.5.1旋转一级倒立摆的实时控制图...................424.5.2旋转一级倒立摆的控制结果.....................424.5.3结果分析.....................................434.6本章小结...........................................43第五章总结................................................44致谢......................................................45参考文献...................................................46西安理工大学本科生毕业设计（论文）1第一章绪论1.1引言倒立摆系统是研究控制理论的一种典型实验装置，具有成本低，结构简单的特点，以及物理参数和结构易于调整的优点，是一个具有高阶次、不稳定、多变量、非线性和强耦合特性的不稳定系统。在控制过程中，它能有效地反映比如可真定性、鲁棒性、随动性以及跟踪等许多控制中的关键问题。是检验各种控制理论的思想模型，迄今人们已经利用经典控制理论，现在控制理论以及各种智能控制理论实现了多种倒立摆系统的稳定控制。控制方法是在倒立摆系统中研究的核心内容。因为对倒立摆这样一个典型的非线性、不稳定、复杂的被控对象进行研究,无论在理论上还是在方法上都具有重要的意义,各种控制理论和方法都可以在这里得到充分的验证,并且可以促成不同方法之间的有机结合。到目前为止，倒立摆系统的控制方法主要分为线性控制、预测控制和智能控制三大类。本课题在深入理解倒立摆基本原理的基础上，确立单级倒立摆控制为本文的研究课题。单级倒立摆系统（SingleInvertedPendulumSystem）是一个典型多变量、不稳定和强耦合的非线性系统。它的这些特性使得许多抽象的控制理论概念如系统稳定性、可控性等等，都可以通过单级倒立摆系统实验直观的表现出来。而作为实验装置，它本身又具有成本低廉、结构简单、便于模拟、形象