《基于PID的倒立摆控制系统设计-电气工程及其自动化大学课程设计》由会员分享，可在线阅读，更多相关《基于PID的倒立摆控制系统设计-电气工程及其自动化大学课程设计（42页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。
1、I摘 要倒立摆装置被公认为是自动控制理论中的典型实验设备，而一阶倒立摆系统为典型的多变量、非线性、自然不稳定系统。对倒立摆的研究可归结为对非线性、高阶次、不稳定一类系统的研究，其控制方法和思路的研究对一般工业过程有广泛的用途。本论文主要针对一阶倒立摆系统进行模糊 PID 控制器设计。首先，对一阶倒立摆设备进行了系统分析，了解其工作机理，硬件结构，软件功能，并以垂直位置为动态稳定点得到这一位置的线性化方程。其次，对模糊控制技术进行了分析，并对模糊 PID 控制器进行了详细的研究、设计和总结。然后，以一阶倒立摆为被控对象，利用 MATLAB 软件的 SIMULINK 仿真功能先用常规 PID 控制
2、算法进行控制；在常规 PID 控制的基础上设计了模糊参数自适应 PID 控制器。模糊参数自适应 PID 控制器是在 PID 控制器的基础上对 PID 参数进行在线修改，增强了 PID控制器的自适应性。当系统受到干扰，模型发生改变时，仿真结果表明了对于一阶倒立摆这一复杂非线性系统，模糊 PID 控制器比常规 PID 控制有较强的控制能力。最后，在仿真设计的基础上，采用 MATLAB 软件的 FUZZY 控制工具箱生成模糊 PID 控制器并将其应用于一阶倒立摆系统的控制上，进行了可行性验证，调试顺利，效果良好。实验结果表明，对于倒立摆这一较复杂的系统，采用模糊PID 控制算法有效。关键词：一阶倒立
3、摆；模糊控制；模糊 PID 控制；PID 控制IIAbstractSingle inverted pendulum is the typical multi-variable, nonlinear, instable, naturally system. The studies of single inverted pendulum can be referred as investigating a classific non-linearity and instability system, the way of control and the thoughts are useful to
4、 general industrial process. Inverted pendulum device is considered as traditional tester of automation. In this paper, it investigated how to devise a fuzzy PID controller to insure single inverted pendulum operate right. First, the equipment of single inverted pendulum is studied, which help to un
5、derstand the mechanism, the structure of hardware and the performance of software. We liner the system at balance position and get linear state equation. Second, the principle of FC is analyzed, and detail research of fuzzy PID controller is made. Then, in order to apply fuzzy PID to the single inve
6、rted pendulum system, which is a typical, highly nonlinear and absolutely unstable dynamic system, we observe the position and angles of the pendulum in order to get the right control rule sheet. Fuzzy PID which is able to control single inverted pendulum at a wider range than LQR, especially when i
7、s disturbed, or when model is changed, the result of simulation indicate that the fuzzy PID controller still has better ability of control.Last, software is compiled to apply fuzzy PID on single inverted pendulum. The tests on single inverted pendulum system indicate that fuzzy PID is a simple and e
8、asy way for nonlinear multi-variability system.Key words: single inverted pendulum；fuzzy control；fuzzy PID control；PID controlIII目 录引引 言言.1第第 1 章章 绪论绪论.21.1 倒立摆分类 .21.2 倒立摆的特性 .51.3 倒立摆系统的控制方法综述.5第第 2 章章 系统数学模型的建立系统数学模型的建立.8第第 3 章章 PID 控制控制.123.1 PID 的原理和特点.123.2 PID 控制参数设定及仿真.133.3 PID 控制实验.16第第 4
9、章章 模糊控制在倒立摆系统中的应用模糊控制在倒立摆系统中的应用.194.1 模糊控制的特点及发展 .204.2 模糊控制的基本原理.224.3 模糊控制器的组成.234.4 模糊 PID 控制.25第第 5 章章 倒立摆控制系统的仿真倒立摆控制系统的仿真.305.1 模糊控制器的设计 .305.2 倒立摆控制系统的仿真.34结结 论论.37参考文献参考文献.38致致 谢谢.381引引 言言对倒立摆系统进行研究，不仅可以解决控制中的理论问题，还能将控制理论所涉及的三个基础学科：力学、数学和电学(含计算机)有机的结合起来，在倒立摆系统中进行综合应用。而且倒立摆系统与双足机器人、火箭飞行控制和各类伺服云台的稳定有很大相似性，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。倒立摆系统为典型的多变量、非线性、自然不稳定系统。对倒立摆的研究可归结为对非线性、高阶次、不稳定一类系统的研究，其控制方法和思路的研究对一般工业过程有广泛的用途。本文将模糊 PID 控制成功地引入到一阶倒立摆的控制中，并利用 MATLAB软件的 SIMULINK 仿真功能进行控制，其控制性能有了很大的提高。本文首先引入 PID 控制，由于 PID 控制器的整定需要依靠精确的数学模型而且 PID 参数是固定的，不能在线修改，所以，参数整定时间长且控制效果也不理
