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1、.毕业论文(设计)开题报告题 目 基于Matlab-simulink的倒立摆系统控制设计与仿真 学生姓名 学 号 院 系 滨江学院自动控制系专 业 自动化指导教师 二一三 年 四 月 三 日毕 业 论 文（设 计）开 题 报 告1本课题的目的及研究意义倒立摆是一个在学术界备受关注的重点研究的高阶次系统，另外，他还是一个具有多变量、强耦合和绝对不稳定特性的非线性系统。它能在倒立摆的控制过程中有效反映像随动性、可镇定性、鲁棒性以及跟踪行等许多的核心问题。正是由于此系统是一个非线性系统，在控制领域中，也受到很多研究者的重视。此外，无论几级的倒立摆，在高校的实践教学中，也体现出了他们各自的价值。它不仅
2、可以作为实验性设备，而且可以还是一个有代表性的数学模型。当我们队此系统进行研究解析之后，很多控制界的问题得以解决，这些一直困扰研究者的理论问题和实践上遇到的技术问题。它能够把电学、力学和数学联系到一起，共同运用到这个系统中。这样可以把学生课堂上所学的理论知识能够应用到实际的控制当中，这大大提高了教学质量。诸多特性，使他在国际界备受重视。倒立摆系统被人们用来验证试验研究的对象，曾被认为是最佳的理论方法，广泛应用于机器人学、伺服控制、航天、军工等领域，因而研究倒立摆系统不仅具有很强的理论意义，而且它又具有很强的工程意义。众所周知，自然界的许多系统都不稳定的，其中最具有代表性的就是本文研究地倒立摆系
3、统，我的目的就是选择一个行之有效的控制方法来设计一个控制器，使不稳定的二级倒立摆受控对象变成一个趋于稳定的控制系统。到目前为止，已涌现出来各种各样的控制算法，比如模糊、神经网络、状态反馈、自适应、PID以及变结构等，他们都各自展现了其特有的控制能力。本文采用模糊PID控制，实现对二级旋转倒立摆的稳定性进行有效控制。2本课题的国内外的研究现状 早在20世纪60年代，人们就开始了对倒立摆系统的研究。1966年Schacfer和Cannon应用Bang-Bang控制理论，将一个曲轴稳定于倒置位置。到了20世纪60年代后期，倒立摆作为一个典型不稳定、非线性的例证被提出。自此，对于倒立摆系统的研究便成了
4、控制界关注的焦点。倒立摆的种类很多，有悬挂式倒立摆、平行倒立摆、环形倒立摆、平面倒立摆；倒立摆的级数可以是一级、二级、三级、四级乃至多级；倒立摆的运动轨道可以是水平的，还可以是倾斜的(这对实际机器人的步行稳定控制研究更有意义)； 控制电机可以是单电机，也可以是多级电机。目前有关倒立摆的研究主要集中在亚洲，如中国的北京师范大学、北京航空航天大学、中国科技大学；日本的东京工业大学、东京电机大学、东京大学；韩国的釜山大学、忠南大学，此外，俄罗斯的圣彼得堡大学、美国的东佛罗里达大学、俄罗斯科学院、波兰的波兹南技术大学、意大利的佛罗伦萨大学也对这个领域有持续的研究。近年来，虽然各种新型倒立摆不断问世，但
5、是可自主研发并生产倒立摆装置的厂家并不多。目前，国内各高校基本上都采用香港固高公司和加拿大Quanser公司生产的系统；其它一些生产厂家还包括（韩国）奥格斯科技发展有限公司（FT-4820型倒立摆）、保定航空技术实业有限公司；最近，郑州微纳科技有限公司的微纳科技直线电机倒立摆的研制取得了成功。倒立摆的研究具有重要的工程背景：(1) 机器人的站立与行走类似双倒立摆系统，尽管第一台机器人在美国问世至今已有三十年的历史，机器人的关键技术机器人的行走控制至今仍未能很好解决。(2) 在火箭等飞行器的飞行过程中，为了保持其正确的姿态，要不断进行实时控制。(3) 通信卫星在预先计算好的轨道和确定的位置上运行
6、的同时，要保持其稳定的姿态，使卫星天线一直指向地球，使它的太阳能电池板一直指向太阳。(4) 侦察卫星中摄像机的轻微抖动会对摄像的图像质量产生很大的影响，为了提高摄像的质量，必须能自动地保持伺服云台的稳定，消除震动。(5) 为防止单级火箭在拐弯时断裂而诞生的柔性火箭(多级火箭)， 其飞行姿态的控制也可以用多级倒立摆系统进行研究。由于倒立摆系统与双足机器人，火箭飞行控制和各类伺服云台稳定有很大相似性，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。鲁棒控制是自动控制领域 20 世纪末最重要的研究结果之一。简单地说鲁棒控制处理的是不确定性对象，这种不确定性包括外部扰动、模型参数变化未建模动态(即
7、模型与实际系统差异)、 执行器的误差等等。鲁棒控制算法在倒立摆中的应用，尽管这方面的研究工作还没有充分展开，但从已有的一些研究成果不难推断出，鲁棒控制方法是解决倒立摆这一对象非线性、复杂性和不确定性的一种工具。鲁棒控制的发展方向是面向不确定性的研究对象，如何将其研究成果与实际应用相结合，解决不确定系统的控制问题，或使已有的控制系统具有更强的鲁棒性，这是一项艰巨而复杂的工作。倒立摆是一个验证理论的正确性及实际应用中的可行性的典型对象。通过将鲁棒控制算法应用到倒立摆中来验证鲁棒控制算法优越性，最终将鲁棒算法的实际应用更进一步。倒立摆的PID控制能够得到普遍的应用与其自身的特点有很大关系，首先它可以
8、变形，而且变形之后依然可以达到一个很好的控制效果，所以今天至少有接近90%的回路在采用这种方法。由于它除具有简单的结构、好的鲁棒性、可靠性等特点外，还有便于操作性等诸多优点，因此它在冶金、电力、化工等工业制造生产过程中得到广泛的应用。但是它不可能不经过完善改进或者创新而一直这样发展下去，因为工业的需要，它必须不断地改进来适应控制领域的要求。所以后来出现了新的PID算法，比如位置式PID控制、增量式PID等。但是仅有这两种最简单基本的算法是肯定不能满足当今工业系统发展要求的，于是又激发出了很多改进后的PID算法，比如积分分段、积分分离化等。当然了，后来很多算法变涌现出来了，但不管是什么算法都是基
9、于基本算法产生的，通俗点就是对基本算法进行拆分、组合、添加进而衍生出其他算法。 众所周知，PID在控制界已得到了广泛的应用并且控制算法的精度在不断地提高，然而，实际情况中的控制系统当中的被控对象具有高度的非线性、随时间变化的不确定性等特点，所以其远比人类所能想象的复杂地多，因而数字式PID调节器虽然具有了很好的稳定精度，但是他不能兼顾控制系统的动态特性。为了解决这个矛盾，我们假设这样的情况下，就是参数可以在线调整。所以，智能控制的出现为这些问题提供了一条有效的途径，随着他的问世，实际控制系统中的参数变化问题便得到了解决。随着智能控制的发展，研究者变顺势把常规的PID控制跟智能控制进行了有效的结
10、合，结合之后便出现了各种智能PID控制器，比如神经网络、专家型、模糊性、遗传算法等几种类型的智能PID控制器等。它克服了参数整定的问题，可以随意修改参数，具有自学习、自组织、自适应的能力。它把两种控制器的优点集中到一个控制器上，自然而然，智能PID控制器在实际应用中最广泛。模糊控制理论经过几十年的发展，模糊PID控制也就相应变成了控制界的研究热点，于是便出现了很多不同类型的模糊PID控制器。最简单的有：直接控制量和增益调整两种类型，随后便出现了很多参数整定的规律和经验。模糊PID控制已经在很多工业控制过程中得到了很好应用。总之，设计一个良好的模糊PID控制器，最主要的就是要能够很好地进行实时在
11、线调整常规PID控制器中的三个参数、 、,最终能够使得这三个参数随着误差变化，自动调节输出。这不仅解决了单纯的模糊控制器的精度问题，而且解决了常规PID控制器对环境变化反应缓慢的问题。毕 业 论 文（设 计）开 题 报 告3本课题的研究内容 1、Abstract部分。论文首先进行摘要的编写，即英文和中文摘要；具体为本文主要介绍基于MATLAB的倒立摆PID控制算法及仿真。通过分析二阶倒立摆的的系统原理和研究物理模型，然后使用状态空间理论推导出其非线性模型,再在平衡点处进行线性化得到倒立摆系统简化动态方程，实现数学模型的建立。最后在MATLAB中进行二阶倒立摆系统仿真，得到系统的响应曲线，从而实
12、现对二级倒立摆的稳定性的有效控制。 2、绪论部分(包括引言）。主要包括课题研究地意义、倒立摆研究历史及其现状、倒立摆的控制规律、PID控制现状分析与研究以及论文的主要工作；具体为倒立摆系统是一个具有多变量、强耦合和绝对不稳定的特性的非线性系统。它能在倒立摆的控制过程中有效反映像随动性、可镇定性、鲁棒性以及跟踪行等许多的核心问题。倒立摆系统被人们用来验证试验研究的对象，曾被认为是最佳的理论方法，广泛应用于机器人学、伺服控制、航天、军工等领域，因而研究倒立摆系统不仅具有很强的理论意义，而且它又具有很强的工程意义。随着科学前沿的不断前进，对倒立摆系统的研究越来越深入，涌现出了许多二级倒立摆的控制改进
13、方案和控制方法。本文采用了模糊PID控制，并在前人研究的基础上，继续补充完善模糊PID算法，实现对二级旋转倒立摆的稳定性进行有效控制。为了实现论证的成功，本文主要需要解决的三个问题： 1）实现直线二级倒立摆的仿真控制； 2）可以用倒立摆对其正确性和实用性加以物理验证，并对各种方法进行快捷、有效的比较； 3）实验效果显著、直观。 3、倒立摆简介。包括倒立摆系统组成、系统框图、实物图片、公式、主要原理以及现有控制方法； 4、PID和模糊控制简介。主要包括PID自动控制理论简述，介绍传递函数、PID算法以及各种PID算法的优缺点；PID大致为模拟PID调节器（包括模拟PID控制系统组成、模拟PID调
14、节器的微分方程和传输函数、PID调节器各校正环节的作用等）、数字PID控制器模拟PID控制规律的离散化（包括位置式PID控制算法、增量式PID控制算法以及各自优缺点等）；模糊控制是以模糊集合论、模糊语言变量及模糊推理为基础的计算机智能控制，基本概念是美国加利福尼亚大学著名教授查德（L.A.Zadeh）首先提出的，经过二十多年的发展，在模糊控制理论和应用研究方面都取得了重大的成功。模糊控制器实际上是依靠微机或单片机构成的，它的绝大部分功能是由计算机程序来完成，随着专用模糊芯片的研究和开发，也可以由硬件逐步取代各组成单元的软件功能。本论文主要介绍模糊推理的系统结构以及PID参数在线整定原则等 5、
15、构建系统模型以及二级倒立摆数学模型的建立及分析。主要包括数学模型的推导（包括建立非线性数学模型和模型线性化处理）、二级倒立摆的稳定分析； 6、简要介绍Matlabsimulink;主要包括MATLAB的发展情况、MATLAB系统功能及特点、MATLAB在控制系统中的应用、Simulink动态仿真功能等； 7、倒立摆系统仿真实验研究。主要包括系统PID控制的倒立摆系统的仿真、实际控制；4本课题的实行方案、进度及预期效果1)实行方案： 采取模糊PID控制算法对不稳定的二级倒立摆系统进行稳定性控制。2） 论文进度： 3.22前 准备阶段 学习毕业论文有关文件(熟悉被控对象熟悉以及Matlab软件，并求出系统响应)以及认真填写任务书; 3.22-4.10 完成开题报告; 1、查阅资料，熟悉被控对象，翻译外文资料； 2、对被控对象进行建立传递函数和状态空间模型； 3、熟悉Ma
