85一级倒立摆的PID控制设计

辽宁科技大学本科生毕业论文第I页一级倒立摆的PID控制设计摘要本文主要研究的是一级倒立摆的PID控制问题，并对其PID的参数进行了优化，优化算法是遗传算法。倒立摆是典型的快速、多变量、非线性、强耦合、自然不稳定系统。由于在实际中有很多这样的系统，因此对它的研究在理论上和方法论上均有深远的意义。本文首先简单的介绍了一下倒立摆以及倒立摆的控制方法，并对其参数优化算法做了分类介绍。然后，介绍了本文选用的优化参数的算法遗传算法的基本理论和操作方法。接着建立了一级倒立摆的数学模型，并求出其状态空间描述。本文着重讲述的是利用遗传算法来对PID的参数进行优化的实现方法。最后，用Simulink对系统进行了仿真，得出遗传算法在实际控制中是一种较为理想的PID参数优化方法的结论。关键词：PID控制器；一级倒立摆；辽宁科技大学本科生毕业论文第II页辽宁科技大学本科生毕业论文第III页目录1引言....................................................................11.1倒立摆介绍以及应用................................................11.2倒立摆的控制方法..................................................21.3PID参数整定方法...................................................21.4本文的主要任务....................................错误!未定义书签。2PID简介................................................................52.2PID控制器的参数整定...............................................62.3PID控制的基本用途.................................错误!未定义书签。2.4PID控制的现实意义.................................................73遗传算法的基本理论和基于遗传算法的PID参数寻优..........................83.1遗传算法的基本原理................................错误!未定义书签。3.2遗传算法的操作方法................................错误!未定义书签。3.2.1二进制编码...................................错误!未定义书签。3.2.2适应度函数...................................................93.2.3遗传操作....................................................113.3遗传算法的应用关键...............................................143.4基于遗传算法的PID参数寻优.......................................143.4.1基于遗传算法的PID寻优的优点................................143.4.2基于遗传算法的PID寻优的方法................................154一级倒立摆的模型.......................................................184.1一级倒立摆的物理模型.............................................184.2一级倒立摆的数学模型.............................................185直线一级倒立摆PID控制器系统的仿真研究.................................225.1PID控制器的设计..................................................225.2一级倒立摆系统的Simulink模型及系统仿真..........................225.2.1MATLAB及Simulink...........................................225.2.2一级倒立摆系统的Simulink的模型.............................22辽宁科技大学本科生毕业论文第IV页5.2.3仿真结果....................................................235.3小结.............................................................24结论....................................................................26致谢....................................................................27参考文献.................................................................28附录....................................................................29辽宁科技大学本科生毕业论文第1页1引言1.1倒立摆介绍以及应用倒立摆控制系统是一个复杂的、不稳定的、非线性系统，是进行控制理论教学及开展各种控制实验的理想实验平台。对倒立摆系统的研究能有效的反映控制中的许多典型问题：如非线性问题、鲁棒性问题、镇定问题、随动问题以及跟踪问题等。通过对倒立摆的控制，用来检验新的控制方法是否有较强的处理非线性和不稳定性问题的能力。通过对它的研究不仅可以解决控制中的理论和技术实现问题，还能将控制理论涉及的主要基础学科：力学，数学和计算机科学进行有机的综合应用。其控制方法和思路无论对理论或实际的过程控制都有很好的启迪，是检验各种控制理论和方法的有效的“试金石”。倒立摆的研究不仅有其深刻的理论意义，还有重要的工程背景。在多种控制理论与方法的研究与应用中，特别是在工程实践中，也存在一种可行性的实验问题，使其理论与方法得到有效检验，倒立摆就能为此提供一个从理论通往实践的桥梁，目前，对倒立摆的研究已经引起国内外学者的广泛关注，是控制领域研究的热门课题之一。倒立摆不仅仅是一种优秀的教学实验仪器，同时也是进行控制理论研究的理想实验平台。由于倒立摆系统本身具有的高阶次、不稳定、多变量、非线性和强耦合特性，许多现代控制理论的研究人员一直将它视为典型的研究对象，不断从中发掘出新的控制策略和控制方法，相关的科研成果在航天科技和机器人学方面获得了广阔的应用。二十世纪九十年代以来，更加复杂多种形式的倒立摆系统成为控制理论研究领域的热点，每年在专业杂志上都有大量的优秀论文出现。因此，倒立摆系统在控制理论研究中是一种较为理想的实验装置。倒立摆主要应用在以下几个方面:(1)机器人的站立与行走类似于双倒立摆系统，尽管第一台机器人在美国问世至今已有三十年的历史，机器人的关键技术--机器人的行走控制至今仍未能很好解决。(2)在火箭等飞行器的飞行过程中，为了保持其正确的姿态，要不断进行实时控制。(3)通信卫星在预先计算好的轨道和确定的位置上运行的同时，要保持其稳定的姿态，使卫星天线一直指向地球，使它的太阳能电池板一直指向太阳。(4)侦察卫星中摄像机的轻微抖动会对摄像的图像质量产生很大的影响，为了提高摄像的质量，必须能自动地保持伺服云台的稳定，消除震动。辽宁科技大学本科生毕业论文第2页(5)为防止单级火箭在拐弯时断裂而诞生的柔性火箭(多级火箭)，其飞行姿态的控制也可以用多级倒立摆系统进行研究。由于倒立摆系统与双足机器人、火箭飞行控制和各类伺服云台稳定有很大相似性，因此对倒立摆控制机理的研究具有重要的理论和实践意义。1.2倒立摆的控制方法倒立摆有多种控制方法[1]。对倒立摆这样的一个典型被控对象进行研究，无论在理论上和方法上都具有重要意义。不仅由于其级数增加而产生的控制难度是对人类控制能力的有力挑战，更重要的是实现其控制稳定的过程中不断发现新的控制方法，探索新的控制理论，并进而将新的控制方法应用到更广泛的受控对象中。当前，倒立摆的控制方法可分为以下几类：(1)线性理论控制方法将倒立摆系统的非线性模型进行近似线性化处理，获得系统在平衡点附近的线性化模型，然后再利用各种线性系统控制器设计方法，得到期望的控制器。PID控制、状态反馈控制、能量控制[2]、LQR控制算法是其典型代表。(2)预测控制和变结构控制方法预测控制：是一种优化控制方法，强调的是模型的功能而不是结构。变结构控制：是一种非连续控制，可将控制对象从任意位置控制到滑动曲面上仍然保持系统的稳定性和鲁棒性，但是系统存在颤抖。预测控制、变结构控制和自适应控制在理论上有较好的控制效果，但由于控制方法复杂，成本也高，不易在快速变化的系统上实时实现。1.3PID控制器参数整定方法PID控制是工业过程控制中应用最广的策略之一，因此PID控制器参数的优化成为人们关注的问题，它直接影响控制效果的好坏，并和系统的安全、经济运行有着密不可分的关系。PID控制器作为最早实用化的控制器已有50多年历史，现在仍然是应用最广泛的工业控制器。PID控制器简单易懂，使用中不需精确的系统模型等先决条件，因而成为应用最为广泛的控制器。PID控制器由比例单元(P)、积分单元(I)和微分单元(D)组成。其输入)(te与输出)(tu的关系为：辽宁科技大学本科生毕业论文第3页)/)(*)(/1)((()(dttdekddttekitekptu(1.1)式中积分的上下限分别是0和t，因此它的传递函数为：比例作用下，通过现场试验找到等幅震荡的过渡过程，记下此时的比例度和等幅振荡周期，再通过简单的计算求出衰减振荡时控制器的参数。(2)经验凑试法此时是根据经验先将控制器的参数放在某一数值上，直接在闭环控制系统中，通过改变设定值施加干扰试验信号，在记录仪上看被控量的过渡过程曲线形状，控制器参数凑试的顺序有两种方法：一种认为比例作用是基本的控制作用，因此，首先把比例度凑试好，待过渡过程已基本稳定，然后加积分作用以消除余差，最后加入微分作用以进一步提高控制质量。另一种整定顺序的出发点是：比例度与积分时间在一定范围内相匹配，可以得到相同递减比的过渡过程。这样比例度的减小可用增大积分时间来补偿，反之亦然。所以要预先确定一个积分时间数值，然后由大到小调整比例度以获得满意的过渡过程。(3)专家控制专家系统[4]是一类包含着知识和推理的智能计算机程序，其内部包含有大量的某个领域专家水平的知识和经验，能够利用人类专家的知识和解决问题的方法来处理该领域的问题。专家控制的实质是基于受控对象和控制规律的各种知识，以智能的方式来利用这些知识，求得受控系统尽可能地优化和实用化，它反映出智能控制的许多重要特征和功能。随着微机技术和人工智能技术的发展，出现了多种形式的专家控制器。人们自然地也想到用专家经验来建立PID参数。通常，一个以规则为基础，以问题求解为中心的专家系统由知识库、推理机、综合数粒子群算法[5]是由Kennedy和Eberhart等1995年提出的一种演化计算算法。它是对鸟群觅食过程中的迁徙和聚集的模拟，更确切地说，是由简单个体组成的群落与环境以及个体之间的互动行为。该模拟系统利用局部信息，从而可能产生不可预测的群体行为。目前已广泛应用于函数优化、神经网络训练