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1、 南 京 理 工 大 学毕业设计说明书(论文)作 者: 学 号： 学院(系):自动化专 业:电气工程及其自动化题 目:基于T-S模糊模型的倒立摆智能控制及仿真研究 教授 指导者： 评阅者： 2011年6月毕业设计说明书（论文）中文摘要倒立摆系统是一个典型的多变量、非线性、强耦合和快速运动的自然不稳定系统，因此倒立摆在研究双足机器人、火箭发射过程的姿态调整和直升机飞行控制领域中有着重要的现实意义。本文围绕着一级倒立摆系统，采用PID、LQR、极点配置法以及fuzzy等控制方法对倒立摆进行控制模拟以及系统仿真，运用牛顿力学和Lagrange方程对倒立摆进行数学建模，推导出倒立摆系统的传递函数和状态
2、空间方程，同时运用matlab simulink环境建立各种控制的倒立摆系统模型，进行一级倒立摆系统的控制器设计以及仿真。关键词：倒立摆 控制器 PID控制 matlab simulink 仿真毕业设计说明书（论文）外文摘要Title A fuzzy PID controller for nonlinearand uncertain systemsAbstractIn order to systems that contain nonlinearities or uncertainties, control strategies must deal with the effects of th
3、ese. Since most control methods based on mathematical models have been mainly focused on stability robustness against nonlinearities or uncertainties, they are limited in their ability to improve the transient response. In this paper, a nonlinear fuzzy PID control method is suggested, which can stab
4、ly improve the transient responses of systems disturbed by nonlinearities or unknown mathematical characteristics. Although the derivation of the control law is based on design procedure for general fuzzy logic controllers, the resultant control algorithm has analytical form with varying PID gains r
5、ather than linguistic form. This means the implementation of the proposed method can be easily and effectively applied to real-time control situations. Control simulations are carried out to evaluate the transient performance of the suggested method through example systems, by comparing its response
6、s with those of the nonlinear fuzzy PI control method developed in.Key words: nonlinear and uncertain systems fuzzy logic controller fuzzy PID control time varying PID gains.目录1 引言 11.1 问题的提出及研究意义 11.2 国内外研究现状 21.3 课题中面临的问题以及工作重点 42. 倒立摆系统62.1 单级倒立摆的数学模型 62.2 系统和传递函数的推导 83 现代控制理论在倒立摆平台上的应 103.1 基于倒立
7、摆的PID控制器设计分析 103.2 现代控制理论在倒立摆平台上的应用 123.3 基于Segeno模糊建模及控制器的设计 23结论 29致谢 30参考文献311.引言1.1问题的提出及研究意义1.1.1问题的提出倒立摆系统是非线性、强耦合、多变量和自然不稳定的系统，在控制过程中它能有效地反应诸如可镇定行、鲁棒性、随动性以及跟踪等许许多多的控制中的关键问题，是检验各种控制理论的理想模型。正是由于倒立摆系统在控制理论研究中的典型地位，国内许多大学都配置了倒立摆实物模型，用于本科生的教学实验以及研究生的课题研究。由于倒立摆系统本身的复杂性，控制系统的开发通常需要涉及到几个工作组，如算法设计组（数学
8、仿真）、软件开发组、硬件实现组和测试组等，每个阶段使用的工具也不尽相同，造成开发和调试的工作量十分庞大，周期很长。由于这几个工作阶段的独立性，实验者很难深入参与到实验设计过程中，实验效果并不理想.这种系统开发方式与现代的产品开发手段严重脱节，高校落后的实验体系越来越难以满足开展现代化实验的要求，迫切需要更新实验系统.本文基于近年来硬件在回路实时仿真技术、航天及军事上的成功应用，提出了利用 MATLAB RTW（Real Time Workshop）技术构建一个倒立摆控制系统硬件在回路仿真实验平台的构想，希望直接将Simulink生成的仿真模型下载到目标实时内核中运行，驱动外部硬件设备，在线调整
9、参数，让系统开发者和实验者能够自由地往返于各个工作阶段，螺旋式地完成开发和实验。1.1.2 研究意义及应用前景倒立摆的控制方法在军工、航天、机器人领域和一般工业过程中都有着广泛的用途，如机器人行走过程中的平衡控制、火箭发射中的垂直度控制和卫星飞行中的姿态控制等均涉及到倒置问题，因此对倒立摆系统的研究在理论和方法论上均有着深远的意义。由于倒立摆系统的控制策略和杂技运动员顶杆平衡表演的技巧有异曲同工之处，极富趣味性，而且许多抽象的控制理论概念如系统的稳定性、可控性和系统的抗干扰能力等等，都可以通过倒立摆系统实验直观的表现出来，因此在欧美发达国家的高等院校，它已经成为必备的控制理论教学实验设备.学习
10、自动控制理论的学生通过倒立摆系统实验来验证所学的控制理论和算法，非常的直观、简便，在轻松的实验中对所学的课程加深了理解。1.2 国内外研究现状倒立摆系统稳定与控制的研究在国外始于60年代，我国则从70年代中期开始研究。首先根据经典控制理论与现代控制理论应用极点配置法，设计模拟控制器，国内外专家学者先后控制了单级倒立摆与二级倒立摆的稳定.随着微机的广泛应用，又陆续实现了数控二级摆的稳定.随着摆杆级数的增加，多级倒立摆由于其高度非线形和不确定性，其控制成为世界公认的难题.被控对象越复杂，数学模型越难精确推导，加上系统本身的非线形以及某些不确定性，使针对线形化模型进行控制系统设计的各种理论对解决这些
11、复杂系统无能为力.在这样复杂的控制面前，把人工智能的方法引入控制系统，得到新的突破.相应的模糊智能控制、神经网络控制和仿人智能控制在倒立摆的控制上也取得了瞩目的成绩.2002年8月北京师范大学数学系李洪兴教授领导的科研团队采用“变论域自适应模糊控制理论”成功地实现了全球首例“四级倒立摆实物系统控制” . 而由此项理论产生的方法和技术将在半导体及精密仪器加工、机器人技术、导弹拦截控制系统、航空器对接控制技术等方面具有广阔的开发利用前景。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
12、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.各种控制理论和方法都可以在这里得以充分实践，并且可以促成相互间的有机结合。目前有关倒立摆的研究主要集中在亚洲，如中国的北京师范大学、北京航空航天大学、中国科技大学、日本的东京工业大学、东京电机大学、东京大学、韩国的釜山大学、忠南大学，此外俄罗斯的圣彼得堡大学、美国的东佛罗里达大学、俄罗斯科学院、波兰的波兹南技术大学、意大利的佛罗伦萨大学也对这个领域有持续的研究.近年来，虽然各种新型倒立摆不断问世，但是可自主研发生产倒立摆装置的厂家并不多，目前国内厂家还包跨（韩国）奥格斯科技发展有限公司和加拿大Quan
13、ser公司（FT-2840型倒立摆）、保定航空技术事业有限公司，最近，郑州微纳科技有限公司的微纳科技直线电机倒立摆的研制取得了成功。倒立摆的研究具有重要的工程背景：1)机器人的站立与行走类似双倒立摆系统，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
14、自动地保持伺服云台的稳定，消除震动。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。智能控制为倒立摆系统提供了简单有效的处理方法.采用智能控制中基于特征模型的多模态控制方式、启发式逻辑和知识推理机制来实现非线性处理.在倒立摆系统中用到的智能控制方法主要有模糊控制、神经网络控制、云模型控制和拟人智能控制等。1）模糊控制经典的模糊控制器利用模糊集合理论将专家知识或操作人员经验形成的语言规则直接转化为自动控制策略(专家模糊规则查询表)，其设计不依靠对象精确数学模型，而是利用其语言知识模型进行设计和修正控制算法. 程福雁等运用模糊规则控制，将现代控制理论与模糊控制理论相结合，成功稳定住了二级倒立摆系统.研究结果证明，将成熟的现代控制理论用于模糊控制器中处理多变量问题，是一
