直線一級(jí)倒立擺控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)-開題報(bào)告

1、xxx學(xué)院本科畢業(yè)論文（設(shè)計(jì)）開題報(bào)告 二級(jí)學(xué)院： xxxxxxxxx 學(xué)號(hào)姓名 專業(yè)自動(dòng)化年級(jí)班別2012級(jí)3班論文（設(shè)計(jì)）題目 直線一級(jí)倒立擺控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)擬完成時(shí)間 2016年4月10日指導(dǎo)教師姓名及職稱 xxx講師 題目類型囗理論研究囗應(yīng)用研究設(shè)計(jì)開發(fā)囗其他命題來源教師命題囗學(xué)生自主命題囗教師科研課題是否在實(shí)驗(yàn)、實(shí)習(xí)、工程實(shí)踐和社會(huì)調(diào)查等社會(huì)實(shí)踐中完成囗是 否一、選題依據(jù)及意義倒立擺系統(tǒng)的最初分析開始于二十世紀(jì)五十年代，是一個(gè)比較復(fù)雜的不穩(wěn)定，多變量，帶有強(qiáng)耦合特性的高階機(jī)械系統(tǒng)。倒立擺系統(tǒng)存在嚴(yán)重的不確定性，一方面是系統(tǒng)的參數(shù)不確定性，一方面是系統(tǒng)受到不確定因素的干擾。倒立擺系統(tǒng)具有

2、成本低廉，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，參數(shù)和結(jié)構(gòu)易于調(diào)整的優(yōu)點(diǎn)。作為控制理論研究中一種比較理想的實(shí)驗(yàn)手段，倒立擺系統(tǒng)為自動(dòng)控制理論的教學(xué)、實(shí)驗(yàn)和科研構(gòu)建了一個(gè)良好的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，以用來檢驗(yàn)?zāi)晨刂评碚摶蚍椒ǖ牡湫桶咐?，促進(jìn)了控制系統(tǒng)新理論和新思想的發(fā)展。其控制方法和思路在處理一般工業(yè)過程中有廣泛的用途，此外，其相關(guān)的研究成果也在航天科技和機(jī)器人學(xué)習(xí)方面得到了大量的應(yīng)用，如機(jī)器人行走過程中的平衡控制，火箭發(fā)射中的垂直度控制和衛(wèi)星飛行中的姿態(tài)控制等，因此對(duì)倒立擺控制機(jī)理的研究具有非常重要的理論和實(shí)踐意義。二、研究目標(biāo)與主要內(nèi)容 研究目標(biāo)： 擺桿處于自然下垂?fàn)顟B(tài)下，按下啟動(dòng)按鈕后，盡快使擺桿擺起倒立并保持倒立狀態(tài)。當(dāng)擺桿處

3、于倒立狀態(tài)時(shí)，外加干擾后擺桿仍能繼續(xù)保持倒立狀態(tài)或盡快恢復(fù)倒立狀態(tài)。根據(jù)倒立擺實(shí)物建立倒立擺的數(shù)學(xué)模型，根據(jù)倒立擺的數(shù)學(xué)模型結(jié)合控制原理相關(guān)知識(shí)設(shè)計(jì)PID控制器，并實(shí)現(xiàn)倒立擺的PID控制。 主要內(nèi)容：設(shè)計(jì)及制作倒立擺系統(tǒng)，建立倒立擺系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型，推導(dǎo)出倒立擺的傳遞函數(shù)和狀態(tài)方程，并用MATLAB軟件仿真，驗(yàn)證系統(tǒng)的穩(wěn)定性。 設(shè)計(jì)倒立擺PID控制器，用MATLAB仿真并實(shí)物調(diào)式。設(shè)計(jì)倒立擺系統(tǒng)的狀態(tài)空間極點(diǎn)配置控制器，用MATLAB仿真及實(shí)物調(diào)式。三、研究方法和手段一、研究方法： 1.文獻(xiàn)研究法 2.分析法 3.實(shí)物驗(yàn)證法研究手段：論文主要通過閱讀有關(guān)書籍，論文，文獻(xiàn)等，通過對(duì)比，綜合，整理，

4、分析，歸納等方法進(jìn)行撰寫。 1.通過圖書館、網(wǎng)絡(luò)等搜尋相關(guān)的信息資料，并認(rèn)真整理和篩選。 2.收集中西方學(xué)者關(guān)于倒立擺控制方法已經(jīng)取得的成果，并進(jìn)行概括和總結(jié)。 3.查閱相關(guān)書籍、出版物，掌握基本的做法方法。 4.親自動(dòng)手做實(shí)物，焊接，調(diào)試。 5.與導(dǎo)師保持聯(lián)系并交流心得體會(huì)，形成論文的初步框架。 6.著手撰寫論文，并根據(jù)導(dǎo)師的建議不斷修改和完善直至完成。四、參考文獻(xiàn)目錄1王杰,孔慶忠,徐祿均.直線一級(jí)倒立擺的新型控制方法研究J.機(jī)械工程與自動(dòng)化,2015，44(05):177-178.2王惠萍,孔慶忠.基于MATLAB的直線一級(jí)倒立擺的PID控制研究J.機(jī)械工程與自動(dòng)化,2015，44(05

5、):179-180+182.3任祖華,周軍,錢惠敏等.基于倒立擺系統(tǒng)案例的自動(dòng)控制原理教學(xué)研究J.教育教學(xué)論壇,2015，7(43):170-171.4羅華強(qiáng).基于直線電機(jī)驅(qū)動(dòng)的一級(jí)倒立擺D.導(dǎo)師：孫振東;林勝.廣州：華南理工大學(xué),20135詹長(zhǎng)書,孫世磊,葛強(qiáng),丁瑋琛,郭柯,高峰.基于SimMechanics的單級(jí)倒立擺建模和仿真J.森林工程,2014，30(06):63-66.6王惠萍,孔慶忠.直線一級(jí)倒立擺的數(shù)學(xué)建模和根軌跡控制J.內(nèi)蒙古工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版),2015，34(01):20-24.7高玉芹.單片機(jī)原理與應(yīng)用及C51編程技術(shù)M.北京：機(jī)械工業(yè)出版社,2011.68王燕平

6、.控制系統(tǒng)仿真與CADM.北京：機(jī)械工業(yè)出版社,2011.89陳華. 單級(jí)倒立擺智能控制器的設(shè)計(jì)J. 重慶工學(xué)院學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版),2009，23(01):98-101+156.10楊燕. 一級(jí)倒立擺系統(tǒng)的快速穩(wěn)定方法研究J. 自動(dòng)化與儀器儀表,2015，35(10):166-168.五、文獻(xiàn)綜述倒立擺是機(jī)器人技術(shù)、控制理論、計(jì)算機(jī)控制等多個(gè)領(lǐng)域，多種技術(shù)的有機(jī)結(jié)合，其被控系統(tǒng)本身又是一個(gè)絕對(duì)不穩(wěn)定、高階次、多變量、強(qiáng)耦合的非線性系統(tǒng)，可以作為一個(gè)典型的控制對(duì)象對(duì)其進(jìn)行研究。國(guó)外在60年代就開始了對(duì)一級(jí)倒立擺系統(tǒng)的研究，倒立擺作為一個(gè)典型的不穩(wěn)定、嚴(yán)重非線性例證，常用于檢驗(yàn)?zāi)晨刂品椒▽?duì)不穩(wěn)定、

7、非線性和快速性系統(tǒng)的控制能力。1966年Schaefer和Cannon應(yīng)用Bang-Bang控制理論，將一個(gè)曲軸穩(wěn)定于倒置位置；S.Mori等人于1975年采用最優(yōu)控制和狀態(tài)重構(gòu)的方法完成對(duì)一級(jí)倒立擺的穩(wěn)定控制。國(guó)外對(duì)二級(jí)以上倒立擺的研究從70年代開始，1972年Sturgen等人采用線性控制模擬電路實(shí)現(xiàn)了二級(jí)倒立擺的控制，其線性狀態(tài)反饋采用極點(diǎn)配置的方法獲得，并采用全維狀態(tài)觀測(cè)器來重構(gòu)了狀態(tài)；1978年，K.furuta等人采用微機(jī)處理實(shí)現(xiàn)了二級(jí)倒立擺的控制，1980年他們又完成了二級(jí)擺在傾斜軌道上的穩(wěn)定控制；1983年，K.furuta等人又實(shí)現(xiàn)了雙電機(jī)三級(jí)倒立擺的穩(wěn)定控制。國(guó)內(nèi)從80年代

8、開始對(duì)倒立擺進(jìn)行了研究，1983年,國(guó)防科技大學(xué)完成了一級(jí)倒立擺系統(tǒng)的研制和控制；1987年,上海機(jī)械學(xué)院完成了一、二級(jí)倒立擺系統(tǒng)的研制，并且完成了二級(jí)倒立擺在傾斜軌道上的控制。1995年,張明廉等人應(yīng)用擬人智能控制理論成功的解決了三級(jí)倒立擺這一控制界的世界性難題。利用不同的建模方法對(duì)其進(jìn)行建模并采用相應(yīng)的控制算法,可以得到不同的控制效果。常用于倒立擺建模的方法有兩個(gè),一是基于系統(tǒng)能量的Lagrange方程法建立倒立擺系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型,二是采用動(dòng)力學(xué)方程的力矩平衡法。這次設(shè)計(jì)中我打算采用動(dòng)力學(xué)方程的力矩平衡法建模。 穩(wěn)定控制器的設(shè)計(jì)是倒立擺系統(tǒng)的核心內(nèi)容,同時(shí)我認(rèn)為也是本次設(shè)計(jì)的難點(diǎn)所在。怎樣使

9、得擺桿盡快地達(dá)到平衡狀態(tài)，以及怎樣盡量增強(qiáng)系統(tǒng)的抗干擾能力，是研究倒立擺系統(tǒng)的重點(diǎn)內(nèi)容。本設(shè)計(jì)將采用單片機(jī)作為控制中心，其主要由倒立擺框架，傳感器模塊及電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊等組成，能夠控制小車前后運(yùn)動(dòng)并使連接在小車上的擺桿倒立。小車的動(dòng)力由一個(gè)直流減速電機(jī)提供，擺桿旋轉(zhuǎn)端固定一精密角度傳感器。旋轉(zhuǎn)過程中，精密角度傳感器實(shí)時(shí)檢測(cè)并反饋角度信號(hào)給單片機(jī)，單片機(jī)通過對(duì)信號(hào)的處理，使電機(jī)在驅(qū)動(dòng)模塊的作用下轉(zhuǎn)動(dòng)，擺桿的角度作為控制裝置的反饋量，控制裝置通過PID控制算法來控制電機(jī)的轉(zhuǎn)速與轉(zhuǎn)向，最后來實(shí)現(xiàn)擺桿的倒立。六、工作進(jìn)度安排 第一階段：2015年11月28日至2015年12月10日熟悉整個(gè)設(shè)計(jì)的任務(wù)及要求，查閱相關(guān)資料并確定設(shè)計(jì)方案。第二階段：2015年12月11日至2016年1月15日按要求完成各電路模塊的制作。 第三階段：2016年3月1日至2015年3月10日根據(jù)設(shè)計(jì)任務(wù)配合硬件完成程序編寫。 第四階段：2016年3月11日至2015年3月20日根據(jù)作品的設(shè)計(jì)撰寫設(shè)計(jì)報(bào)告。第五階段：2016年3月 21日至2015年4月1日進(jìn)行修改設(shè)計(jì)報(bào)告。第六階段：2016年4月2日至答辯前進(jìn)一步完善作