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1、一、一、研究目的与意义研究目的与意义倒立摆是处于倒置不稳定状态、通过人为控制使其处于动态平衡的一种摆，是一个复杂的快速、非线性、多变量、强耦合、自然不稳定系统，是重心在上、支点在下控制问题的抽象。倒立摆是机器人技术、控制理论、计算机控制等多个领域、多种技术的有机结合，其被控系统本身又是一个绝对不稳定、高阶次、多变量、强耦合的非线性系统，可以作为一个典型的控制对象对其进行研究。最初研究开始于二十世纪50 年代，麻省理工学院（MIT）的控制论专家根据火箭发射助推器原理设计出一阶倒立摆实验设备。近年来，新的控制方法不断出现，人们试图通过倒立摆这样一个典型的控制对象，检验新的控制方法是否有较强的处理多
2、变量、非线性和绝对不稳定系统的能力，从而从中找出最优秀的控制方法。倒立摆系统作为控制理论研究中的一种比较理想的实验手段，为自动控制理论的教学、实验和科研构建一个良好的实验平台，以用来检验某种控制理论或方法的典型方案，促进了控制系统新理论、新思想的发展。由于控制理论的广泛应用，由此系统研究产生的方法和技术将在半导体及精密仪器加工、机器人控制技术、人工智能、导弹拦截控制系统、航空对接控制技术、火箭发射中的垂直度控制、卫星飞行中的姿态控制和一般工业应用等方面具有广阔的利用开发前景。平面倒立摆可以比较真实的模拟火箭的飞行控制和步行机器人的稳定控制等方面的研究。倒立摆系统是检验各种控制算法、研究控制理论
3、很有效的实验设备。目前应用在倒立摆上的算法主要有：经典控制理论PID控制、现代控制理论状态反馈、模糊控制理论、神经网络控制理论、拟人智能控制理、云模型控制理论、自适应控制理论、非线性控制理论、遗传算法、)支持向量机、变结构控制理论滑模控制等。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。由于控制理论的广泛应用，由此系统研究产生的方法和技术将在半导体及精密仪器加工、机器人控制技术、人工智能、导弹拦截控制系统、航空对接控制技术、火箭发射中的垂直度控制
4、、卫星飞行中的姿态控制和一般工业应用等方面具有广阔的利用开发前景。平面倒立摆可以比较真实的模拟火箭的飞行控制和步行机器人的稳定控制等方面的研究。通过对倒立摆的研究不仅可以解决控制中的理论问题，还能将控制理论涉及的三个主要基础学科力学、数学和电学进行有机的综合应用。同时，其控制方法在军工、航天、机器人和一般工业过程领域中都有着广泛的用途，如机器人行走过程中的平衡控制、海上钻井平台的稳定控制、火箭发射中的垂直度控制和卫星飞行中的姿态控制、太空探测器着陆控制和测量仪器展开稳定控制等。因此，倒立摆提供一个从控制理论通往实践的桥梁。二、研究的基本内容和方法二、研究的基本内容和方法本论文中重点研究的关键问
5、题是一阶直线倒立摆系统的建模和仿真。建模是为了对系统进行简化，方便模型的仿真；仿真是为了更好地对模型进行分析，从而完成本课题研究。在建模中，首先需要对倒立摆系统的受力进行分析，主要是运用力学知识推到出系统状态空间表达式的模型,这就建立了系统的数学模型。其次，为了方便对系统的研究还需要对系统模型进行线性化处理，这就完成了从数学模型到仿真模型的转化。最后，在MATLAB环境下对系统模型进行仿真，并通过仿真结果来对系统进行可控性的研究。本文将运用机理建模的方法，通过分析一阶倒立摆的物理过程与力学系统，建立相应的数学模型，在此基础上, 根据 PID 控制器的控制原理，设计 PID 控制算法，构成相应的
6、控制器。并且学会使用MATLAB 中的 Simulink 模块对数学模型的仿真，得到能稳定控制倒立摆的 PID 控制器。三、研究条件和可能存在的问题及措施三、研究条件和可能存在的问题及措施本设计将在MATLAB中的simulink模块下进行仿真实验。首先运用机理建模的方法，通过分析一阶倒立摆的物理过程与力学系统，建立相应的数学模型，在此基础上, 根据PID控制器的控制原理，设计PID控制算法，构成相应的控制器。再在simulink中进行仿真分析。在仿真过程中可能会得不到合适的图形，需要耐心的进行PID参数的整定，通过不断的调节，的值，才能得出一个满意的结果。pKiKDK四、预期的结果四、预期的
7、结果通过分析一阶倒立摆的物理过程与力学系统，成功的建立相应的数学模型，在此基础上, 根据 PID控制器的控制原理，设计出合适 PID 控制算法，并且在 MATLAB 中的 simulink 模块下成功的实现对倒立摆摆角的控制。五、研究工作进度安排五、研究工作进度安排第 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；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
8、，15 周，编写毕业论文，进行论文总结、准备答辩，毕业论文答辩六、主要参考文献六、主要参考文献1 薛安客,王俊宏.倒立摆控制仿真与实验研究现状J.杭州电子工业学院学学报.2002，21(6):25-27.2 AstromKJ,Wrttenmark,B.Information technology and informationJ.Zhongnan university press.2006,23(8):289-292.3 蒋尉孙,俞金寿.过程与控制M.北京:北京化学工业出版社，1992:124-130.4 王正林,郭阳宽.过程控制与 Simulink 应用M.北京:电子工业出版社,2006:5
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