直线一级倒立摆控制系统的设计___开题报告.doc

xxx学院本科毕业论文（设计）开题报告 二级学院： xxxxxxxxx 学号姓名 专业自动化年级班别2012级3班论文（设计）题目 直线一级倒立摆控制系统的设计拟完成时间 2016年4月10日指导教师姓名及职称 xxx讲师 题目类型囗理论研究囗应用研究R设计开发囗其他命题来源R教师命题囗学生自主命题囗教师科研课题是否在实验、实习、工程实践和社会调查等社会实践中完成囗是 R否一、选题依据及意义倒立摆系统的最初分析开始于二十世纪五十年代，是一个比较复杂的不稳定，多变量，带有强耦合特性的高阶机械系统。倒立摆系统存在严重的不确定性，一方面是系统的参数不确定性，一方面是系统受到不确定因素的干扰。倒立摆系统具有成本低廉，结构简单，参数和结构易于调整的优点。作为控制理论研究中一种比较理想的实验手段，倒立摆系统为自动控制理论的教学、实验和科研构建了一个良好的实验平台，以用来检验某控制理论或方法的典型案例，促进了控制系统新理论和新思想的发展。其控制方法和思路在处理一般工业过程中有广泛的用途，此外，其相关的研究成果也在航天科技和机器人学习方面得到了大量的应用，如机器人行走过程中的平衡控制，火箭发射中的垂直度控制和卫星飞行中的姿态控制等，因此对倒立摆控制机理的研究具有非常重要的理论和实践意义。二、研究目标与主要内容 研究目标： 摆杆处于自然下垂状态下，按下启动按钮后，尽快使摆杆摆起倒立并保持倒立状态。当摆杆处于倒立状态时，外加干扰后摆杆仍能继续保持倒立状态或尽快恢复倒立状态。根据倒立摆实物建立倒立摆的数学模型，根据倒立摆的数学模型结合控制原理相关知识设计PID控制器，并实现倒立摆的PID控制。 主要内容：设计及制作倒立摆系统，建立倒立摆系统的数学模型，推导出倒立摆的传递函数和状态方程，并用MATLAB软件仿真，验证系统的稳定性。 设计倒立摆PID控制器，用MATLAB仿真并实物调式。设计倒立摆系统的状态空间极点配置控制器，用MATLAB仿真及实物调式。三、研究方法和手段一、研究方法： 1.文献研究法 2.分析法 3.实物验证法2、 研究手段：论文主要通过阅读有关书籍，论文，文献等，通过对比，综合，整理，分析，归纳等方法进行撰写。 1.通过图书馆、网络等搜寻相关的信息资料，并认真整理和筛选。 2.收集中西方学者关于倒立摆控制方法已经取得的成果，并进行概括和总结。 3.查阅相关书籍、出版物，掌握基本的做法方法。 4.亲自动手做实物，焊接，调试。 5.与导师保持联系并交流心得体会，形成论文的初步框架。 6.着手撰写论文，并根据导师的建议不断修改和完善直至完成。四、参考文献目录1王杰,孔庆忠,徐禄均.直线一级倒立摆的新型控制方法研究J.机械工程与自动化,2015，44(05):177-178.2王惠萍,孔庆忠.基于MATLAB的直线一级倒立摆的PID控制研究J.机械工程与自动化,2015，44(05):179-180+182.3任祖华,周军,钱惠敏等.基于倒立摆系统案例的自动控制原理教学研究J.教育教学论坛,2015，7(43):170-171.4罗华强.基于直线电机驱动的一级倒立摆D.导师：孙振东;林胜.广州：华南理工大学,20135詹长书,孙世磊,葛强,丁玮琛,郭柯,高峰.基于SimMechanics的单级倒立摆建模和仿真J.森林工程,2014，30(06):63-66.6王惠萍,孔庆忠.直线一级倒立摆的数学建模和根轨迹控制J.内蒙古工业大学学报(自然科学版),2015，34(01):20-24.7高玉芹.单片机原理与应用及C51编程技术M.北京：机械工业出版社,2011.68王燕平.控制系统仿真与CADM.北京：机械工业出版社,2011.89陈华. 单级倒立摆智能控制器的设计J. 重庆工学院学报(自然科学版),2009，23(01):98-101+156.10杨燕. 一级倒立摆系统的快速稳定方法研究J. 自动化与仪器仪表,2015，35(10):166-168.五、文献综述倒立摆是机器人技术、控制理论、计算机控制等多个领域，多种技术的有机结合，其被控系统本身又是一个绝对不稳定、高阶次、多变量、强耦合的非线性系统，可以作为一个典型的控制对象对其进行研究。国外在60年代就开始了对一级倒立摆系统的研究，倒立摆作为一个典型的不稳定、严重非线性例证，常用于检验某控制方法对不稳定、非线性和快速性系统的控制能力。1966年Schaefer和Cannon应用Bang-Bang控制理论，将一个曲轴稳定于倒置位置；S.Mori等人于1975年采用最优控制和状态重构的方法完成对一级倒立摆的稳定控制。国外对二级以上倒立摆的研究从70年代开始，1972年Sturgen等人采用线性控制模拟电路实现了二级倒立摆的控制，其线性状态反馈采用极点配置的方法获得，并采用全维状态观测器来重构了状态；1978年，K.furuta等人采用微机处理实现了二级倒立摆的控制，1980年他们又完成了二级摆在倾斜轨道上的稳定控制；1983年，K.furuta等人又实现了双电机三级倒立摆的稳定控制。国内从80年代开始对倒立摆进行了研究，1983年,国防科技大学完成了一级倒立摆系统的研制和控制；1987年,上海机械学院完成了一、二级倒立摆系统的研制，并且完成了二级倒立摆在倾斜轨道上的控制。1995年,张明廉等人应用拟人智能控制理论成功的解决了三级倒立摆这一控制界的世界性难题。利用不同的建模方法对其进行建模并采用相应的控制算法,可以得到不同的控制效果。常用于倒立摆建模的方法有两个,一是基于系统能量的Lagrange方程法建立倒立摆系统的数学模型,二是采用动力学方程的力矩平衡法。这次设计中我打算采用动力学方程的力矩平衡法建模。 稳定控制器的设计是倒立摆系统的核心内容,同时我认为也是本次设计的难点所在。怎样使得摆杆尽快地达到平衡状态，以及怎样尽量增强系统的抗干扰能力，是研究倒立摆系统的重点内容。本设计将采用单片机作为控制中心，其主要由倒立摆框架，传感器模块及电机驱动模块等组成，能够控制小车前后运动并使连接在小车上的摆杆倒立。小车的动力由一个直流减速电机提供，摆杆旋转端固定一精密角度传感器。旋转过程中，精密角度传感器实时检测并反馈角度信号给单片机，单片机通过对信号的处理，使电机在驱动模块的作用下转动，摆杆的角度作为控制装置的反馈量，控制装置通过PID控制算法来控制电机的转速与转向，最后来实现摆杆的倒立。六、工作进度安排 第一阶段：2015年11月28日至2015年12月10日熟悉整个设计的任务及要求，查阅相关资料并确定设计方案。第二阶段：2015年12月11日至2016年1月15日按要求完成各电路模块的制作。 第三阶段：2016年3月1日至2015年3月10日根据设计任务配合硬件完成程序编写。 第四阶段：2016年3月11日至2015年3月20日根据作品的设计撰写设计报告。第五阶段：2016年3月 21日至2015年4月1日进行修改设计报告。第六阶段：2016年4月2日至答辩前进一步完善作