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1、长江大学工程技术学院毕业设计(论文)题 目 名 称二级倒立摆的仿真研究系 部信息系专 业 班 级测控技术与仪器61101班学 生 姓 名王健新指 导 教 师张国胜/讲师辅 导 教 师张国胜/讲师时 间2014年9月至2015年6月目 录任务书开题报告指导教师审查意见评阅教师评语答辩会议记录中文摘要外文摘要1绪论11.1倒立摆系统的研究背景11.2倒立摆系统的发展趋势21.3倒立摆系统的研究目的及意义31.4本论文主要研究内容和思想42直线二级倒立摆52.1二级倒立摆的实现原理52.2二级倒立摆组成结构与实物模型62.3数学模型的建立及系统分析82.4系统可控可观性分析153直线二级倒立摆MAT
2、LAB仿真173.1 MATLAB/Simulink中二级倒立摆的仿真173.2二级倒立摆MATLAB中控制器的设计194二级倒立摆的LQR实物控制实验244.1 二级倒立摆的安装244.2 实物控制265系统的异常分析与处理315.1处理以及分析系统的非线性315.2处理及分析系统的干扰326总结与展望336.1总结336.2展望34参考文献34致谢36长江大学工程技术学院毕业设计(论文)任务书系 信 息 系 专业 测控技术与仪器 班级 测控61101 班 学生姓名 王健新 指导教师/职称 张国胜/讲师 1毕业设计(论文)题目：二级倒立摆的仿真研究2毕业设计(论文)起止时间：2014年9月1
3、日2015年6月1日3毕业设计(论文)所需资料及原始数据（指导教师选定部分）1 高等学校毕业设计指导手册(电子信息卷).北京:高等教育出版社,1998年2史晓霞等，二级倒立摆系统数学模型的建立和意义，河北工业大学学报，2001(10):48一51。3宋君烈等，倒立摆系统的Lagrange方程建模与模糊控制，东北大学学报，2002(4):333一337。4飞思科技产品研发中心，MATLAB 6.应用接口编程，电子工业出版社，2003。5黄忠霖，控制系统MATLAB计算及仿真，国防工业出版社，2001。6 王家文、王皓、刘海，MATLAB7.0编程基础，机械工业出版社，2005。7肖伟、刘忠等，M
4、ATLAB程序设计与应用，清华大学出版社，2005。8 王士同，神经模糊系统及应用，北京航天航空大学出版社，1998.6。9 刘豹、唐万生，现代控制理论（第3版），机械工业出版社 2006.9。10胡寿松，自动控制原理（第4版），科学出版社 2001.2。4毕业设计(论文)应完成的主要任务（1）查阅文献，提出研究方案，完成开题报告。（2）对线性倒立摆建立了完整的数学模型，解出微分方程，并写出了倒立摆系统的状态空间表达式。（3）对二级倒立摆系统的结构、工作原理进行分析研究，建立了系统的完整数学模型。（4）通过系统的数学模型进行了MATLAB仿真及实时控制实验。（5）提交毕业设计（论文）初稿，要求
5、排版格式规范，字数在15000字左右。5任务书下达日期 2014 年 10月 1 日 指导教师(签字) 长江大学工程技术学院毕业设计（论文）开题报告题 目 名 称二级倒立摆的仿真研究系 部信息系专 业 班 级测控技术与仪器 61101班学 生 姓 名王健新指 导 教 师张国胜/讲师辅 导 教 师张国胜/讲师开题报告时间2014年10月25日二级倒立摆的仿真研究学 生：王健新，信息系指导教师：张国胜，信息系一、题目来源本题目来源于社会实践。二、研究（设计）目的和意义倒立摆是机器人技术、理论控制、计算机控制等多个领域与技术的有机结合，其被控系统本身又是个绝对不稳定、多变量、高阶次、强耦合的非线性系
6、统，可以作为一个被许多专家所研究的经典的控制对象。最早研究始于20世纪50年代，（MIT）麻省理工学院的控制论（cybernetic）专家依据火箭发射助推器的原理设计出一级倒立摆实验装置。近年来，新的控制方法层出不穷，人们正在努力尝试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不是具有较为强的处理非线性、多变量和绝对不稳定系统的能力，从而在其中找出最优秀的控制方法。倒立摆系统作为研究控制理论中的一种较为理想的实验手段，为自动控制理论的实验、教学和科研构建了一个十分良好的实验平台，用来检验某种方法或控制理论的典型方案，促进了控制系统新理论、新思想的迅速发展。迅猛发展的控制理论，为倒立摆系
7、统的控制提供了坚实的基础，同时倒立摆系统被人们发现是一种检验控制理论的好系统，这导致倒立摆系统成了科学界检验控制能力的一种标准模型。由于控制理论的应用广泛，所以此系统在许多领域都具有广阔的利用和开发前景。平面倒立摆系统可以较为真实的模拟火箭飞行控制和步行机器人的稳定控制。因此，倒立摆系统成为控制领域中不可或缺的研究设备和验证各种各样控制策略有效性的实验平台，研究人员对倒立摆系统的研究进入了一个崭新的时代。三、阅读的主要参考文献1高等学校毕业设计指导手册(电子信息卷).北京:高等教育出版社,1998年2史晓霞等，二级倒立摆系统数学模型的建立和意义，河北工业大学学报，2001(10):48一51。
8、3宋君烈等，倒立摆系统的Lagrange方程建模与模糊控制，东北大学学报，2002(4):333一337。4飞思科技产品研发中心，MATLAB 6.应用接口编程，电子工业出版社，2003。5黄忠霖，控制系统MATLAB计算及仿真，国防工业出版社，2001。6王家文、王皓、刘海，MATLAB7.0编程基础，机械工业出版社，2005。7肖伟、刘忠等，MATLAB程序设计与应用，清华大学出版社，2005。8王士同，神经模糊系统及应用，北京航天航空大学出版社，1998.6。9刘豹、唐万生，现代控制理论（第3版），机械工业出版社 2006.9。10胡寿松，自动控制原理（第4版），科学出版社 2001.2
9、。11黄一夫，微型计算机控制技术，机械工业出版社，1999。12吴忠强，非线性系统的鲁棒控制及应用，机械工业出版社，2005。13直线倒立摆安装与使用手册，固高科技（深圳）有限公司。14倒立摆实验指导书，固高科技（深圳）有限公司。15MATLAB版实时控制软件用户手册，固高科技（深圳）有限公司。16丛爽，杜浩藩，秦志强，二级倒立摆在Simulink环境下的实时控制，系统工程与电子技术，2004（4）：264II-2四、国内外现状和发展趋势对倒立摆系统的研究始于20世纪50年代，当时主要集中在直线倒立摆系统的线性控制上面。 1976年Mori etc.发表的研究论文，首先把倒立摆系统在平点附一近
10、线性化，利用状态空间方法设计比例微分控制器。1980年，Furuta etc.等人基于线性化方法，实现了二级倒立摆的控制。1984年，Furuta等人首次实现双电机三级倒立摆实物控制。1984年，Wanes研究了LQR(Linear Quadratic Regulator)方法控制倒立摆。八十年代后期开始，倒立摆系统中的非线性特性得到较多的研究，并且提出了一系列基于非线性分析的控制策略。1992年，Furuta等人提出了倒立摆系统的变结构控制。1995年，Fradkov等人提出的基于无源性的控制。另外Wiklund等人应用基于李亚普诺夫的方法控制了环形一级倒立摆，Yamakita等人给出了环形
11、二级倒立摆的实验结果。近年来随着智能控制方法的研究逐渐受到人们的重视，模糊控制、拟人智能控制、遗传算法和专家系统等越来越多的智能算法应用到倒立摆系统的控制上。1997年，T.H.Hung等设计了类PI模糊控制器应用于一级倒立摆控制，具有系统结构简单，对硬件依赖小的特点。1995年，Li利用两个模糊滑模来分别控制小车和摆杆偏角。1996年张乃尧等采用模糊双闭环控制方案成功地稳定住了一级倒立摆。Deris利用神经网络的自学习能力来整定PID控制器参数。1997年，Gordillo比较了LQR方法和基于遗传算法的控制方法，结论是传统控制比遗传算法控制效果更好。1993年，Bouslama利用一个简单
12、的神经网络来学习模糊控制器的输入输出数据，设计了新型控制器。还有一些文章利用神经网络的实时学习能力来控制倒立摆。1994年，北京航空航大大学张明廉教授等人将智能与自动控制理论相结合，提出“拟人智能控制理论”，实现了用单电机控制三级倒立摆实物。2001年9月19日，北京师范大学李洪兴教授领导的复杂系统实时智能控制实验室采用变论域自适应模糊控制成功地实现了三级倒立摆实物系统控制，不但具有良好的稳定性和鲁棒性，还可使倒立摆行走到指定的位置3又于2002年8月11日在国际上首次成功实现了四级倒立摆实物控制系统。神经网络与模糊控制相结合也取得了很多成果。总而言之，倒立摆系统是检验各种控制算法、研究控制理
13、论很有效的实验设备。目前应用在倒立摆上的算法有以下几类:经典控制；PID控制；现代控制(极点配置法，LQR法)；H控制；变结构控制；模糊控制；神经网络控制；拟人控制等。II-4五、主要研究（设计）内容、关键问题及解决思路5.1 主要研究内容本论文的主要研究内容有一以下几部分组成:（1）二级倒立摆结构和原理的分析（2）利用Lagrange方法建立二级倒立摆系统的完整数学模型。（3）通过系统的数学模型分析提出二级倒立摆的LQR最优控制算法。（4）LQR最优控制器的分析与设计。 （5）在MATLAB/simulink仿真的环境下，将前而所提出的定性化的结论定量化，从仿真的角度分析各个摆动阶段的控制参
14、数。（6）进行硬件系统的安装与调试，为二级倒立摆的实时控制实验作必要的硬件链接准备。（7）以MATLAB/simulink作为倒立摆实时控制实验的平台，实现了倒立摆的稳定控制。同时对稳摆阶段的各种因素的影响进行了分析和处理。5.2 关键问题大量的倒立摆系统研究工作表明，要解决好倒立摆系统的仿真和控制实题，除了要很好的理论分析之外，往往还需要一定的技巧，这就使得倒立摆系统问题成为了控制研究的一个颇具挑战性和饶有趣味的研究课题。无论是稳摆控制问题或是摆起控制问题，都是一个异常复杂而又对准确性、快速性有很高的要求，且非线性不稳定控制问题。显然一个典型的非线性、快速和多变量、强耦合、不稳定系统的研究成果无论在理论上或是在方法论上都有重要的意义。总体而言，对于倒立摆系统，如何分析得出系统的完整数学模型是第一个难点。从干扰到平衡位置附近这一完全非线性的过程中采用何种控制方案来解决传统近似线性化方法已不能解决的问题是第二个难点，怎样协调快速、多变量、强耦合系统各变量之间的相互关系以实现总体目标，这些都是倒立摆仿真控制所要面临的难点。55.3 解决思路二级倒立
