一級倒立擺開題報(bào)告

南京郵電大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）開題報(bào)告題目 一級倒立擺控制系統(tǒng)的狀態(tài)反饋控制器設(shè)計(jì)與仿真學(xué)生姓名 班級學(xué)號 專業(yè)提綱（開題報(bào)告2000字以上）：對指導(dǎo)教師下達(dá)的課題任務(wù)的學(xué)習(xí)與理解；閱讀文獻(xiàn)資料進(jìn)行調(diào)研的綜述（10篇左右）；根據(jù)任務(wù)書的任務(wù)及文獻(xiàn)調(diào)研結(jié)果，初步擬定的執(zhí)行（實(shí)施）方案（含具體進(jìn)度計(jì)劃）一、對課題任務(wù)的學(xué)習(xí)和理解倒立擺控制系統(tǒng)是一個(gè)復(fù)雜的、不穩(wěn)定的、非線性系統(tǒng)，是進(jìn)行控制理論教學(xué)及開展各種控制實(shí)驗(yàn)的理想實(shí)驗(yàn)平臺。通過對倒立擺的控制，用來檢驗(yàn)新的控制方法是否有較強(qiáng)的處理非線性和不穩(wěn)定性問題的能力。對倒立擺這樣的一個(gè)典型被控對象進(jìn)行研究，無論在理論上和方法上都具有重要意義。不僅由于其級數(shù)增加而產(chǎn)生的控制難度是對人類控制能力的有力挑戰(zhàn)，更重要的是實(shí)現(xiàn)其控制穩(wěn)定的過程中不斷發(fā)現(xiàn)新的控制方法，探索新的控制理論，并進(jìn)而將新的控制方法應(yīng)用到更廣泛的受控對象中。各種控制理論和方法都可以在這里得以充分實(shí)踐，并且可以促成相互間的有機(jī)結(jié)合。在控制理論發(fā)展的過程中，某一理論的正確性及實(shí)際應(yīng)用中的可行性需要一個(gè)按其理論設(shè)計(jì)的控制器去控制一個(gè)典型對象來驗(yàn)證。倒立擺的典型性在于作為一個(gè)裝置，成本低廉，結(jié)構(gòu)簡單，便于模擬和數(shù)字多種不同方式控制；作為一個(gè)被控對象，又相當(dāng)復(fù)雜，是高階次，不穩(wěn)定，多變量，非線性，強(qiáng)耦合系統(tǒng)。倒立擺的控制方法在軍工、航天、機(jī)器人領(lǐng)域和一般工業(yè)過程中都有著廣泛的用途，且對于揭示定性定量轉(zhuǎn)換規(guī)律和策略具有普遍意義，因此對倒立擺系統(tǒng)的研究具有重要的理論和實(shí)踐意義。在歐美發(fā)達(dá)國家的高等院校，它已經(jīng)成為必備的控制理論教學(xué)實(shí)驗(yàn)設(shè)備。學(xué)生通過倒立擺系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)來驗(yàn)證所學(xué)的控制理論和算法，非常的直觀、簡便，在輕松的實(shí)驗(yàn)中對所學(xué)的課程加深了理解。本文主要是圍繞一級倒立擺系統(tǒng)，首先介紹了直線一階倒立擺的物理結(jié)構(gòu)，分析其受力情況，并在一定假設(shè)條件下，建立一階級倒立擺系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型，并對其進(jìn)行線性化，初步分析其運(yùn)動特性。其次運(yùn)用極點(diǎn)配置理論設(shè)計(jì)極點(diǎn)配置算法與控制器；運(yùn)用線性二次型最優(yōu)控制原理結(jié)合合適的Q,R陣求解最優(yōu)控制矩陣并設(shè)計(jì)最優(yōu)控制（LQR）方案。然后根據(jù)已經(jīng)建立的系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型，運(yùn)用MATLAB的Simulink工具對極點(diǎn)配置控制方案和線性二次型最優(yōu)控制（LQR）方案進(jìn)行控制系統(tǒng)的仿真，得出仿真結(jié)果即各個(gè)輸出量的波形，同時(shí)可利用編寫的S函數(shù)仿真動畫觀察仿真結(jié)果。目的是通過設(shè)計(jì)加深對所學(xué)自動控制課程的理解，培養(yǎng)理論聯(lián)系實(shí)際的能力。為進(jìn)一步學(xué)習(xí)更高層次的控制理論奠定基礎(chǔ)。二、閱讀文獻(xiàn)資料進(jìn)行調(diào)研的綜述國外在60年代就開始了對一級倒立擺系統(tǒng)的研究，在60年代后期，作為一個(gè)典型的不穩(wěn)定、嚴(yán)重非線性例證提出了倒立擺的概念，并用其檢驗(yàn)控制方法對不穩(wěn)定、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)的方法完成對一級倒立擺的穩(wěn)定控制。國外對二級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)了二級倒立擺的控制，1980年他們又完成了二級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)三級倒立擺的穩(wěn)定控制。國內(nèi)從80年代開始對倒立擺進(jìn)行了研究，1982年，西安交通大學(xué)完成了二級倒立擺系統(tǒng)的研制和控制，采用了最優(yōu)控制和降維觀測器，以模擬電路實(shí)現(xiàn)；1983年，國防科技大學(xué)完成了一級倒立擺系統(tǒng)的研制和控制；1987年，上海機(jī)械學(xué)院完成了一、二級倒立擺系統(tǒng)的研制，并且完成了二級倒立擺在傾斜軌道上的控制。近年來，隨著智能控制方法的研究逐漸受到人們的重視，模糊控制、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、擬人智能控制、遺傳算法和專家系統(tǒng)等越來越多的智能控制算法應(yīng)用到倒立擺動系統(tǒng)的控制上。ChariesW.Andorson在1988年應(yīng)用自學(xué)習(xí)模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)成功控制一級擺；周建波等用基于BP網(wǎng)絡(luò)的規(guī)則控制也解決了單擺的穩(wěn)定性控制問題；徐紅兵等提出了基于變結(jié)構(gòu)的模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制算法，實(shí)現(xiàn)了二級倒立擺系統(tǒng)的穩(wěn)定性控制；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倒立擺這一控制界的世界性難題；2001年9月19日，北京師范大學(xué)李洪興教授領(lǐng)導(dǎo)的復(fù)雜系統(tǒng)實(shí)時(shí)智能控制實(shí)驗(yàn)室采用變論域自適應(yīng)模糊控制成功地實(shí)現(xiàn)了三級倒立擺實(shí)物系統(tǒng)控制，又于2002年8月11日在國際上首次成功實(shí)現(xiàn)了四級倒立擺實(shí)物控制系統(tǒng)，這是一項(xiàng)原創(chuàng)性的具有世界領(lǐng)先水平的標(biāo)志性科研成果。最近幾年，日本國內(nèi)的研究機(jī)構(gòu)對倒立擺系統(tǒng)的相關(guān)研究也比較多。其中，Mycom有限公司和東京工業(yè)大學(xué)、東京電機(jī)大學(xué)合作，利用謀劃控制器，實(shí)現(xiàn)對倒立擺系統(tǒng)的起擺和穩(wěn)定控制。日本慶應(yīng)大學(xué)將對倒立擺起擺和穩(wěn)定控制的研究成果應(yīng)用到雙足機(jī)器人的控制上，神奈川技術(shù)學(xué)院將擺的研究成果應(yīng)用與輪椅性能的改善。而韓國忠南大學(xué)和臺灣國立大學(xué)都曾經(jīng)用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)對倒立擺系統(tǒng)的穩(wěn)定控制。美國、波蘭、加拿大、意大利也有研究機(jī)構(gòu)對這類問題進(jìn)行研究，只是不像亞洲地區(qū)如此集中。2.1倒立擺系統(tǒng)在有限長的軌道L上作直線運(yùn)動的小車；與小車鉸接在一起，并能在包含L的平面內(nèi)繞口點(diǎn)轉(zhuǎn)動的擺；3?驅(qū)動小車的直流力矩電機(jī)和轉(zhuǎn)輪、鋼絲等傳動部分；4?使擺穩(wěn)定在垂直向上的平衡位置，且使小車穩(wěn)定在軌道中心位置附近的控制器一級倒立擺的結(jié)構(gòu)簡圖如圖1所示:功軍放大圖1:一級倒立擺的結(jié)構(gòu)簡圖力矩電機(jī)功軍放大圖1:一級倒立擺的結(jié)構(gòu)簡圖力矩電機(jī)LQR控制倒立擺系統(tǒng)是非線性、強(qiáng)藕合、多變量和自然不穩(wěn)定的系統(tǒng)。線性二次型最優(yōu)控制LinearQuadraticRegulator一LQR問題在現(xiàn)代控制理論中占有非常重要的位置。由于線性二次型(LQ)性能指標(biāo)易于分析、處理和計(jì)算而且通過線性二次型最優(yōu)設(shè)計(jì)方法得到的控制系統(tǒng)具有較好的魯棒性與動態(tài)特性等優(yōu)點(diǎn)線性二次型在控制界得到普遍重視。MATLAB仿真MATLAB是美國MathWork軟件公司于1984年推出的一種用于科學(xué)計(jì)算的高性能語言。它集數(shù)值計(jì)算、圖形圖像顯示以及編程于一體是常用的控制系統(tǒng)分析與設(shè)計(jì)工具。1990年MathWorks軟件公司為MATLAB提供了新的控制系統(tǒng)圖形化模型輸入與仿真工具Simulink它是MATLAB的一個(gè)擴(kuò)展軟件模塊。該模塊提供了一個(gè)建模、分析與仿真等多種物理與數(shù)學(xué)問題的軟件環(huán)境并為圖形用戶界面提供了動態(tài)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)方塊圖模型從而使用戶可以既快又方便地對系統(tǒng)進(jìn)行建模、仿真而不必寫任何代碼程序。因此該工具很快就在控制工程界獲得了廣泛的認(rèn)可并使仿真軟件進(jìn)入了系統(tǒng)模型的圖形組態(tài)階段。三?執(zhí)行方案3.1課題解決實(shí)施方案：掌握倒立擺系統(tǒng)的組成和控制原理，建立一階級倒立擺系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型。確定系統(tǒng)各項(xiàng)參數(shù)得到仿真模型。運(yùn)用極點(diǎn)配置理論設(shè)計(jì)極點(diǎn)配置算法與控制器。運(yùn)用線性二次型最優(yōu)控制原理求解最優(yōu)控制矩陣并設(shè)計(jì)最優(yōu)控制(LQR)方案。⑸運(yùn)用MATLAB的Simulink工具對極點(diǎn)配置控制方案和線性二次型最優(yōu)控制(LQR)方案進(jìn)行控制系統(tǒng)的仿真。比較兩種控制方法的優(yōu)缺點(diǎn)，得出結(jié)論。3.2工作進(jìn)度安排：第01-02周：了解本課題設(shè)計(jì)要求，針對倒立擺系統(tǒng)學(xué)習(xí)相關(guān)知識；第02-05周：完成開題報(bào)告以及相關(guān)知識點(diǎn)的掌握；掌握倒立擺系統(tǒng)仿真的整體思路；收集整理matlab仿真所需的資料；第06-08周：掌握倒立擺常用控制方法和設(shè)計(jì)過程，計(jì)算參數(shù)，制作一級倒立擺系統(tǒng)；第09-12周：完成極點(diǎn)配置和線性最優(yōu)二次型控制器設(shè)計(jì)；在matlab中完成仿真；第13-14周：完成學(xué)生完善控制效果，分析輸出結(jié)果，得出仿真結(jié)論；第15-17周：編寫畢業(yè)設(shè)計(jì)論文和準(zhǔn)備畢業(yè)答辯。參考文獻(xiàn)：王宏華.現(xiàn)代控制理論.北京：電子工業(yè)出版社，2006謝克明.自動控制原理.北京：電子工業(yè)出版社，2004胡壽松.自動控制原理(第4版).北京：科學(xué)出版社，2001于子淞.單級倒立擺建模及其控制方法設(shè)計(jì).電腦知識與技術(shù)，2008,(4),(8)CHENWJ,FANGL,LEIKK.FuzzyLogicControllerforanInvertedPendulumSystem[C].IEEEInternationalConferenceonIntelligentProcessing