毕业论文-单级倒立摆的PID控制

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1、本科生毕业设计单级倒立摆的 PID控制学 院、系： 电气与信息工程学院 专 业： 自动化 学 生 姓 名： 班 级： 学号: 指导教师姓名： 职称: 最终评定成绩 本科生毕业设计单级倒立摆的 PID 控制院 （系）：电气与信息工程学院专 业：自动化学 号：学 生 姓 名：指 导 教 师： 教授I毕业设计课题任务书院(系)：电气与信息工程学院 专业：自动化 指导教师 学生姓名课题名称 单级倒立摆的 PID 控制内容及任务通过分析单级倒立摆的物理过程与力学系统，建立相应的数学模型，熟悉PID 控制器的控制原理，在此基础上设计 PID 控制算法，构成相应的控制器。学会使用 MATLAB 中的 Sim

2、ulink 对数学模型的仿真，在该软件中进行仿真，得到能稳定控制倒立摆的 PID 控制器。主要内容为：单级倒立摆的数学建模单级倒立摆的 PID 控制策略仿真程序及分析II拟达到的要求或技术指标要求对单级倒立摆进行精确的数学建模分析单级倒立摆的 PID 控制策略，选择适当的控制算法学习使用仿真工具 MATLAB对单级倒立摆进行 MATLAB 仿真分析得到对倒立摆稳定控制的 PID 控制器设计技术指标设计 PID 控制器，具有较强的抗干扰能力和鲁棒性，使得当在小车上施加1N 的脉冲信号时，闭环系统的响应指标为：稳定时间小于 5 秒稳态时摆杆与垂直方向的夹角变化小于 0.1 弧度起止日期 工作内容3

3、.5-4.1 毕业实习，收集资料、熟悉毕业论文课题4.2-4.8 制定论文研究思路4.9-4.15 数学建模，进行可控性分析4.16-4.22 熟悉 PID 控制器，熟悉 MATLAB 中的 Simulink 仿真工具4.23-5.6 进行倒立摆 PID 控制分析5.7-5.27 进行控制仿真分析，在仿真的结果上得出控制方案5.28-6.17 编写毕业论文，进行论文总结、准备答辩，毕业论文答辩进度安排III主要参考资料李少远，王景成智能控制 机械工业出版社，2005赖寿宏微型计算机控制技术 机械工业出版社，2000陈晓平，李长杰MATLAB 及其在电路与控制理论中的应用 中国科学技术大学出版社

4、，2004刘豹现代控制理论 机械工业出版社，2000黄坚自动控制原理及其应用 高等教育出版社，2004倒立摆与自动控制原理实验刘金琨先进 PID 控制 MATLAB 仿真 电子工业出版社，2004教研室意见签名：年 月 日院(系)主管领导意见签名：年 月 日IV大 学本科毕业设计开题报告学 院、系： 电气与信息工程学院 专 业： 自动化 学 生 姓 名： 班 级： 自本 学号 指导教师姓名： 职称 教授 V题目：单级倒立摆的 PID 控制1.结合课题任务情况，查阅文献资料，撰写 15002000 字左右的文献综述。倒立摆是典型的快速、多变量、非线性、绝对不稳定系统。早在 20 世纪 50 年代

5、，麻省理工学院(MIT)的控制论专家就根据火箭发射助推器原理设计出一阶倒立摆实验设备, 此后其控制方法和思路在军工、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、卫星发射架的稳定控制、飞机安全着陆、化工过程控制以及日常生活中所见的任何重心在上、支点在下的控制问题等，均涉及到“倒立摆问题” 。事实上，人们一直在试图寻找不同的控制方法来实现对倒立摆的控制，以便检查或说明该方法对严重非线性和绝对不稳定系统的控制能力。倒立摆的稳定控制，在控制方法上会涉及到控制中的许多关键问题，比如镇定问题、跟踪问题、随动问题、非线性问题以及鲁棒性问题等。同时

6、，倒立摆作为一个简单的实验装置，成本低廉，结构简单，在实验室条件下易于实现。对于倒立摆系统的稳定控制，可以充分验证新的控制方法的有效性及可靠性，为新型控制理论的研究提供了一个不可多得的载体。对于倒立摆的稳定控制，其控制方法在军工、航天、机器人领域和一般工业工程上也有很广泛的用途，比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类似倒立摆这样的重心在上，支点在下的倒置问题。在多种控制理论与方法的研究和应用中，特别是在工程实践中，也存在一种可行性的试验问题，控制理论在当前的工程技术界，主要是如何面向工程实际、面向工程应用的问题。一项工程的实施也存在一种可行性的

7、试验问题，用一套较好的、较完备的试验设备，将其理论及方法进行有效的检验，倒立摆可为此提供一个从控制理论通往实践的桥梁。由于倒立摆系统与火箭飞行和双足步行机器人的行走有很大相似性，因此倒立摆的研究对于火箭飞行以及机器人的控制等现代高科技技术的研究具有重要的实践意义。目前对倒立摆系统的研究己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系统稳定控制研究有重要的理论和实际意义，因此，倒立摆成为了控制理论中历久不衰的研究课题。早在上世纪 60 年代，国外有学者对倒立摆系统进行了系统的研究，讨论了多级倒立摆的稳定控制，提出了 bang-bang 的稳定控制。在 60 年代后期，作为一个典

8、型的不稳定、严重非线性证例，控制理论界提出了倒立摆的概念，并用其检验控制方法对不稳定、非线性和快速性系统的控制能力，受到世界各国许多科学家的重视，VIII从而用不同的控制方法控制不同类型的倒立摆，成为具有挑战性的课题之一。从上世纪 70 年代初期开始，用状态反馈理论对不同类型倒立摆的控制问题成了当时的一个研究热点，并且在很多方面取得了比较满意的效果。但是由于状态反馈控制依赖于线性化的数学模型，因此对于一般的工业过程尤其是数学模型变化的或不清晰的非线性控制对象无能为力。这种状况从上世纪 80 年代后期开始有了很大的变化。随着模糊控制理论的发展，以及将模糊控制理论应用于倒立摆系统的控制，对非线性问

9、题的处理有了很大的改进。将模糊理论应用于倒立摆的控制，其目的是为了检验模糊理论对快速、绝对不稳定系统的适应能力。在这一阶段，利用模糊理论用于控制单级倒立摆取得了很大的成功。针对模糊控制器随着输入量的增多，控制规则数随之成指数增加，进而使模糊控制器的设计异常复杂，执行时间大大增长的问题，对倒立摆采用双闭环模糊控制方案控制单级倒立摆，很好地解决了这个问题。模糊控制理论应用于倒立摆的最新研究成果是北京师范大学数学系李洪兴教授领导的科研队伍利用变论域自适应模糊控制理论实现了对四级倒立摆的稳定控制。神经网络控制倒立摆的研究，从上世纪 90 年代开始有了快速的发展。早在1963 年，Widrow 和 Sm

10、ith 就开始将神经网络用于倒立摆小车的控制。神经网络控制倒立摆是以自学习为基础，用一种全新的概念进行信息处理，显示出了巨大的潜力。另外，还有其他的控制方法用于倒立摆的控制。利用云模型实现智能控制倒立摆，利用云模型的方法，不用建立系统的数学模型，根据人的感觉、经验和逻辑判断，将人用语言值定性表达的控制经验，通过语言原子和云模型转换到语言控制规则器中，解决了倒立摆控制的非线性问题和不确定性问题。倒立摆的研究现在主要在各种的复合控制和智能控制方面进行研究。IX2.选题依据、主要研究内容、研究思路及方案。选题依据如何对倒立摆系统进行控制，这 20 多年来，现代控制理论的发展为这个问题提供了丰富的解决

11、方法。鲁棒控制、自适应控制、模糊控制、智能控制等方法，就是解决倒立摆控制的先进控制手段。但是，这些先进的控制系统设计往往建立在比较抽象且繁琐的数学基础上，使得实际工程中掌握和运用这些方法就远不如 PID 控制那样简单。纵观自动控制领域的现状，仍然是理论成果丰硕，但在实际现场中运行的控制系统仍然有超过 90%的是 PID 控制器。在实际控制领域，有许多研究者认为“PID 控制器往往并不比先进控制器差” 。目前，已经看到了多种先进的控制算法如最优控制、自适应控制、智能控制、自抗扰控制在倒立摆系统上成功应用的报道,但是很难看到采用常规 PID 控制成功地控制倒立摆系统的报道。而且还听到“用常规 PI

12、D 不能成功地控制倒立摆”的说法。那么，究竟是否可以确认“常规 PID 不能成功地控制倒立摆”的结论成立呢？主要研究内容单级倒立摆的数学建模单级倒立摆的 PID 控制策略仿真程序及分析研究思路及方案对倒立摆模型进行认识，查阅资料了解倒立摆的发展研究现状对倒立摆进行数学建模对 PID 控制及仿真工具 MATLAB 中的 Simulink 进行熟悉和掌握应用对倒立摆模型进行 PID 控制分析对倒立摆进行仿真分析选择对倒立摆 PID 控制的单回路方案和双回路方案进行具体的仿真分析。主要参考资料刘豹现代控制理论 机械工业出版社，2000黄坚自动控制原理及其应用 高等教育出版社，2004X倒立摆与自动控

13、制原理实验刘金琨先进 PID 控制 MATLAB 仿真 电子工业出版社，2004陈桂明应用 MATLAB 建模与仿真 科学出版社，20013.工作进度及具体安排。第 1，2，3，4 周，毕业实习，收集资料、熟悉毕业论文课题；第 5 周，制定论文研究思路；第 6 周，数学建模，进行可控性分析；第 7 周，熟悉 PID 控制器，熟悉 MATLAB 中的 Simulink 仿真工具；第 8，9 周，进行倒立摆 PID 控制分析；第 10，11，12 周，进行控制仿真分析，在仿真的结果上得出控制方案；第 13，14，15 周，编写毕业论文，进行论文总结、准备答辩，毕业论文答辩。4.指导教师意见。XI指

14、导教师： 年 月 日摘 要倒立摆是一种典型的快速、多变量、非线性、绝对不稳定系统，一直是控制理论中的研究热点。本文采用牛顿-欧拉方法建立单级倒立摆的数学模型，对精确模型在工作点附近进行线性化与降阶处理，利用固高公司的单级倒立摆参数，计算出其传递函数。简单介绍了 PID 控制器的工作原理和 MATLAB 中 Simulink 仿真工具的特点。在数学模型的基础上进行了 PID 控制的理论分析。利用 MATLAB 中的 Simulink 仿真工具对单级倒立摆的单回路及双回路 PID 控制进行仿真分析，在仿真中整定出合理的 PID 控制参数，单回路 PID 控制方案能满足对摆杆角度的控制，而对小车位置没进行控制，得出系统最终不能达到稳定的结论；而以摆角为内环，小车位移为外环的双回路的 PID 控制能稳定地控制摆杆的角度和小车的位移，单级倒立摆系统能达到稳定的控制。关键词：倒立摆，建模，PID 控制，仿真， MATLABXIIABSTRACTInverted pendulum is a kind of typical model of fast, multivariable, nonlinearity, absolutely unstable system, which has been a research focus i