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1、本科毕业设计论文本科毕业设计论文 题题 目目 倒立摆模糊控制系统设计倒立摆模糊控制系统设计 专业名称 自动化 学生姓名 指导教师 毕业时间 2012 06 毕业 任务书 一 题目 倒立摆模糊控制系统设计 二 指导思想和目的要求 通过毕业设计 使学生对所学自动控制原理 现代控制原理 控制系统仿 真 电子技术等的基本理论和基本知识加深理解和应用 培养学生设计计算 数据处理 文件编辑 文字表达 文献查阅 计算机应用 工具书使用等基本 事件能力以及外文资料的阅读和翻译技能 掌握倒立摆模糊控制系统设计的方 法和步骤 培养创新意识 增强动手能力 为今后的工作打下一定的理论和实 践基础 要求认真复习有关基础
2、理论和技术知识 认真对待每一个设计环节 全身 心投入 认真查阅资料 仔细分析被控对象的工作原理 特性和控制要求 按 计划完成毕业设计各阶段的任务 重视理论联系实际 写好毕业论文 三 主要技术指标 假设倒立摆系统的参数 摆杆质量 摆杆长度 0 1mkg 21lm 小车摩察系数 小车质量 0 15 bNm s 1Mkg 转动惯量 重力加速度 2 mkg0034 0 I 2 m8 9gs 设计系统满足以下要求 调节时间 4 s ts 超调量 8 四 进度和要求 1 搜集中 英文资料 完成相关英文文献的翻译工作 明确本课题的国内外研 设计 论文 究现状及研究意义 第 1 2 周 2 完成总体设计方案的
3、论证并撰写开题报告 第 3 4 周 3 理论推导被控对象的数学模型 第 5 6 周 4 分析未加校正一级倒立摆控制系统性能 第 7 8 周 5 选用模糊控制方案设计满足性能指标要求的控制系统 第 9 11 周 6 整理资料撰写毕业论文 1 初稿 第 12 13 周 2 二稿 第 14 周 7 准备答辩和答辩 第 15 16 周 五 主要参考书及参考资料 1 胡寿松 自动控制原理 科学出版社 2008 6 2 卢京潮 自动控制原理 西北工业大学出版社 2010 6 3 席爱民 模糊控制技术 西安电子科技大学出版社 2008 6 4 薛定宇 陈阳泉 系统仿真技术与应用 清华大学出版社 2004 4
4、 5 李廷军 模糊控制在倒立摆控制系统中的应用 中国期刊报 2002 6 王正林 MATLAB Simulink与控制系统仿真 电子工业出版社 2009 7 7 石辛民 郝整清 模糊控制及其MATLAB仿真 清华大学出版社 北京交通大学 出版社 2008 3 学生 田琨 指导教师 王敏 张科 系主任 魏生民 摘摘 要要 倒立摆系统是研究控制理论的一种典型的实验装置 广泛应用于控制理论 研究 航空航天控制等领域 其控制研究对于自动化控制领域具有重要的价值 然而 倒立摆系统是一个多变量 非线性 自然不稳定系统 本文应用模糊控 制策略对其进行控制研究 主要的内容如下 1 介绍一级倒立摆的研究背景和一
5、级倒立摆的控制方法 2 根据牛顿力学定律 建立一级倒立摆的数学模型 研究一级倒立摆系统在平 衡点附近的稳定性既可控性 3 通过一级倒立摆的特性和倒立摆的输入输出关系 采用基于一级倒立摆的模 糊推理器设计控制一级倒立摆 给出仿真试验结果 4 在仿真试验的基础上 对获得的控制系统输出图进行了性能分析 Ke 主要影响系统的稳态误差 Kec 影响系统的超调和调节时间 Ku 对系 统整体都有影响 当三个值达到最佳时 系统的稳定性也将达到最佳状态 模糊控制器能很好的控制倒立摆的运行 达到控制目标 在系统中 模糊 控制器可以迅速使倒立摆恢复到原来的平衡状态 改变倒立摆的参数后 模糊 控制器也能在初始阶段出现
6、振荡 而后达到了控制目标 控制性能表现出良好 的适应性 关键词 一阶倒立摆 数学模型 模糊控制 MATLAB 仿真 ABSTRACT Inverted pendulum control system is to study the theory of a typical experimental device widely used in control theory the field of aerospace control its control is important for the automation and control value However the inverted
7、pendulum is a multivariable nonlinear and nature instability system This fuzzy control strategy to control research The main contributions are as follows 1 Research background and control methods of inverted pendulum system are introduced 2 By making use of Newton mechanics we give the controllabili
8、ty of inverted pendulum system near the balance position based on the model 3 Depended on characteristic of inverted pendulum and the internal relation of the input variable and an adaptive controlled method are proposed The simulation experiments results are also given 4 Based on the simulation exp
9、eriments access control system output graph of the performance analysis The Ke mainly affects the steady state error Kec affect the system overshoot and adjustment time Ku has an impact on the overall system When the three values to achieve the best stability of the system will reach the best condit
10、ion Fuzzy controller can control the inverted pendulum operation to achieve the control objectives In the system the fuzzy controller can be quickly inverted pendulum back to the original state of equilibrium change the parameters of the inverted pendulum fuzzy controller oscillations in the initial
11、 stages and then to achieve the control objectives control performance showed good adaptability KEY WORDS inverted pendulum mathematical model fuzzy control MATLAB simulation 目目 录录 第一章第一章 绪论绪论 5 5 1 1 课题背景 5 1 2 倒立摆的概述 6 1 2 1 倒立摆的发展现状 6 1 2 2 倒立摆的研究内容 7 1 3 模糊控制理论的介绍 8 1 3 1 模糊控制理论的产生 8 1 3 2 模糊控制理
12、论的发展概况 8 1 3 3 模糊控制理论的应用 9 1 4 论文工作安排 9 第二章第二章 一级倒立摆系统的结构及其数学模型一级倒立摆系统的结构及其数学模型 1010 2 1 系统组成 10 2 2 工作原理 10 2 3 数学模型 10 2 3 1 系统的受力分析 10 2 3 2 传递函数 12 2 3 3 状态空间方程 13 2 3 4 系统 MATLAB 仿真和开环响应 14 2 4 一级倒立摆系统稳定性分析 16 2 5 系统的可控性和可观性分析 18 第三章第三章 模糊逻辑控制基本知识模糊逻辑控制基本知识 1919 3 1 模糊集合论基础 19 3 1 1 模糊集合的定义及表示方
13、法 19 3 1 2 模糊集合的运算 19 3 1 3 模糊关系 22 3 2 模糊逻辑和近似推理 23 3 2 1 模糊逻辑 23 3 2 2 近似推理 24 3 2 3 合成运算方法的选择 24 3 2 4 句子连接关系的逻辑运算 25 3 3 基于控制库的模糊推理 25 3 3 1 模糊推理的基本方法 25 3 3 2 模糊推理的性质 26 第四章第四章 模糊控制器的理论知识模糊控制器的理论知识 2727 4 1 模糊控制的原理 27 4 2 模糊控制器的组成和结构 28 4 2 1 模糊控制器的组成 28 4 2 2 模糊控制器的结构 29 4 3 模糊控制器的设计内容 31 4 3
14、1 基本概述 31 4 3 2 模糊模型的选择 31 4 3 3 选取模糊控制规则 33 4 3 4 精确量的模糊化 34 4 3 5 模糊量的去模糊化 35 4 3 6 模糊控制规则表 36 4 3 7 论域 量化因子 比例因子的选择 36 第五章第五章 一级倒立摆系统模糊控制的设计与仿真一级倒立摆系统模糊控制的设计与仿真 3939 5 1 倒立摆模糊控制器的设计 39 5 1 1 位置模糊控制器的设计 39 5 1 2 角度模糊控制器的设计 41 5 2 倒立摆系统模糊控制的仿真 43 5 2 1 MATLAB 软件的介绍 43 5 2 2 SIMULINK 工具箱和模糊逻辑工具箱 43
15、5 2 3 倒立摆模糊控制系统的 MATLAB 仿真 43 第六章第六章 全文总结全文总结 4848 参考文献参考文献 5050 致谢致谢 5151 毕业设计小结毕业设计小结 5252 第一章 绪论 1 1 课题背景 杂技顶杆表演之所以为人们所熟悉 不仅是其技艺的精湛引人入胜 更重 要的是其物理本质与控制系统的稳定性密切相关 它深刻揭示了自然界一种基 本规律 即一个自然不稳定的被控对象 通过控制手段可以使之具有良好的稳 定性 不难看出 杂技演员顶杆的物理机制可以简化为一个倒置的倒立摆 也 就是人们常称之为倒立摆系统 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
16、反映诸如可镇定性 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理想模型 倒立摆系统的典型性在于 作为一 个装置 它比较简单而且成本低廉 作为控制对象 它又相当复杂 只有采取 有效的控制方法才能使之成为一个稳定的系统 倒立摆系统通常用来检验控制 策略的效果 是控制理论研究中较为理想的实验装置 迄今 人们已经利用古 典控制理论 现代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控 制稳定 其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 而且 在控制理论发展的过程 1 2 3 某一理论的正确性及在实际应用中的 可行性需要一个按其理论设计的控制器去控制一个典型对象来验证这一理论 倒立摆就是这样一个被控对象 倒立摆本身是一个自然不稳定体 在控制过程 中能够有效地反映控制中的许多问题 如镇定问题 非线性问题 鲁棒问题 随动问题以及跟踪问题等 对倒立摆系统进行控制 其控制效果一目了然 可 以通过摆动角度 位移和稳定时间直接度量 理论是工程的先导 对倒立摆的
