直线倒立摆的稳定控制算法设计【1张CAD图纸和说明书】
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毕业设计(论文)开题报告题目：直线倒立摆的稳定控制算法设计系 别 机电信息系 专 业 机械设计制造及其自动化 班 级 姓 名 学 号 导 师 2012 年 12 月 17 日- 1 -1. 毕业设计（论文）综述（题目背景、研究意义及国内外相关研究情况）1.1 题目背景和研究意义在控制理论发展的过程中， 某一理论的正确性及在实际应用中的可行性需要一个按其理论设计的控制器去控制一个典型对象来验证这一理论， 倒立摆就是这样一个被控对象。倒立摆是一个多变量、快速、非线性、强藕合、和绝对不稳定的系统，通过对它引入一个适当的控制方法使之成为一个稳定系统，来检验控制方法对不稳定、非线性和快速性系统的处理能力;而且在倒立摆的控制过程中，它能有效地反映诸如可镇定性、鲁棒性、随动性以及跟踪性能等许多自动控制领域中的关键问题,因此受到世界各国许多科学家的重视，用不同的控制方法控制不同类型的倒立摆，成为最具有挑战性的课题之一。 1对倒立摆系统的研究不仅仅在其结构简单、原理清晰、易于实现等特点，而且作为典型的多变量系统， 可采用实验来研究控制理论中许多方面的问题。 诸如: 模型的建立、状态反馈、观测器理论、快速控制理论以及滤波理论等都可以用于这类系统。另一方面对系统的研究也比较有实用价值，从日常生活中所见的任何重心在上、支点在下的控制问题，到空间飞行器和各类伺服云台的稳定，都和倒立摆的控制有很大的相似性，故对其的稳定控制在实际中有很多用场，如海上钻井平台的稳定控制、卫星发射架的稳定控制、火箭姿态控制、飞机安全着陆、机器人双足行走机构、化工过程控制等都属这类问题。倒立摆的研究不仅有其深刻的理论意义，还有重要的工程背景。在多种控制理论与方法的研究和应用中，特别是在工程实践中，也存在一种可行性的试验问题，控制理论在当前的工程技术界，主要是如何面向工程实际、面向工程应用的问题。一项工程的实施也存在一种可行性的试验问题，用一套较好的、较完备的试验设备，将其理论及方法进行有效的检验，倒立摆可为此提供一个从控制理论通往实践的桥梁。在稳定性控制问题上，倒立摆既具有普遍性又具有典型性。倒立摆的典型性在于，倒摆系统作为一个控制装置，它结构简单、价格低廉，便于模拟和数字多种不同的方式控制，通过引入适当的控制方式使之成为一个稳定的系统。倒立摆系统可以用多种理论和方法来实现其稳定控制，如 PID、自适应、状态反馈、智能控制、模糊控制及人工神经元网络等多种理论和方法，都能在倒立摆系统控制上得到实现，而且当一种新的控制理论和方法提出以后，在不能用理论加以严格证明时，可以考虑通过倒立摆装置来验证其正确性和实用性。 2 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 -（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）通信卫星中在预先计算好的轨道和确定的位置上运行的同时，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直指向太阳。 （4）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。 （5）侦察卫星中摄像机的轻微抖动会对摄像的图象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。 1.2 国内外相关研究情况倒立摆系统研究最早始于上世纪 50 年代，麻省理工学院机电工程系的控制论专家根据火箭发射助推器原理设计出一级倒立摆实验装置。正式提出倒立摆概念的是 60 年代后期。在此基础上，世界各国专家和学者对倒立摆进行了拓展，产生了直线二级倒立摆、三级倒立摆、多级倒立摆、柔性直线倒立摆、环形倒立摆、平面倒立摆、环形并联多级倒立摆以及斜坡倒立摆等实验设备，并用不同的控制方法对其进行了控制。1976 年 Morietc 首先把倒立摆系统在平衡点附近线性化，利用状态空间方法设计比例微分控制器实现了一级倒立摆的稳定控制。1984 年，Furuta 等人应用最优状态调节器理论首次实现双电机三级倒立摆实物控制。 380 年代后期开始，较多的研究了倒立摆系统中的非线性特性，提出了一系列的基于非线性分析的控制策略，1993 年，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。41997 年，Gordill 比较了 LQR 方法和基于遗传算法的控制方法，结论是传统控制方法比遗传算法控制效果更好。采用留优遗传算法，以被控系统的动能积分为性能指标实现对倒立摆控制算法的参数寻优。 5 国内对倒立摆的研究始于 80 年代，三级倒立摆及多级倒立摆的研究也取得了很大进展，不仅在系统仿真方面，而且在实物实验中，都出现了控制成功的范例。尹征琦等成功的以模拟的降维观测器实现了二级倒立摆的控制。 6梁任秋等针对二级倒立摆系统给出了三种实用的数字控制器和降维观测器。1994 年，北京航空航天大学教授张明廉将人工智能与自动控制理论相结合，提出“拟人智能控制理论” ，实现了用单电动机控制三级倒立摆实物以及后来实现对二维单倒立摆控制。张乃尧等用双闭环模糊控制方法对倒立摆进行了控制。李祖枢等人利用仿人智能控制理论研究了二级倒立摆的起摆和控制问题。 2002 年实现了四级倒立摆实物控制。2005 年，罗成等人实现了五级倒立摆的控制。 7 2. 本课题研究的主要内容和拟采用的研究方案、研究方法或措施2.1 本课题研究的主要内容本论文的主要工作是设计直线倒立摆系统的机械本体部分， 并分别进行 PID、- 3 -线性二次最优控制、状态空间极点配置的比较，用 Matlab 对一级、二级、三级倒立摆控制系统进行了仿真，验证了设计的可行性。具体内容如下: (l)详细论述一级、二级、三级直线倒立摆数学建模方法，推导出他们的微分方程，以及线性化后的状态方程。 (2)分析倒立摆系统的控制方法。分别用现代控制理论及经典控制理论对一级倒立摆把位置控制和角度控制串联起来控制倒立摆系统。利用 matlab 仿真系统，比较各个控制系统在控制一阶、二级、三级倒立摆的时候的优缺点，讨论出现的问题及解决方法。 (3)设计绘制直线倒立摆的装配图。2.2 本课题拟采用的设计方案倒立摆的控制问题就是使摆杆尽快地达到一个平衡位置， 并且使之没有较大的振荡和过大的角度和速度。当摆杆到达期望的位置后，系统能克服随机扰动而保持稳定的位置。 倒立摆的机械部分由上位机作为控制界面的输出， 通过上位机对倒立摆系统的仿真过程进行参数的选改，运动控制卡进行电机反馈和角度编码器的反馈计算，并将参数的反馈发送到电机驱动器，进而控制电机输出.。直线倒立摆系统机械本体部分的动力部分由电机直接输出，作为一般的机电系统，针对倒立摆的系统要求的响应快、传动精度高、稳定性好等特性，电机选择小惯量的步进电机或者伺服电机。控制卡片核心则选用高性能数字处理器，以满足系统的高阶响应特性。方案 1： 伺服电机+光电编码器+PLD+链条 优点：闭环控制、精度高 缺点：结构复杂 方案 2： 步进电机 +旋转式编码器+ 单片机+同步带 优点：精度高、响应快、结构简单 缺点：电机有可能产生失步，摩擦力大 方案 3：交流伺服电机+光电式编码器+DSP 优点：精度高、响应快、结构简单 缺点：价格高 选用方案 2具有高响应、高稳态、高加速度的电机来驱动倒立摆，有很好的控制效果;具有位置和角度同时需要控制的特点， 是一个很好的用于验证控制理论的实验平台。 对于控制器的设计，本文通过研究 PID 控制器的控制偏差，控制规律和它的控制原理来实现 PID 控制算法仿真。LQR 控制需要求解 Riccati 方程和确定 Q 和 R 权矩阵实现算法仿真。状态空间极点配置法通过设计状态反馈控制器将多变量系统的- 4 -闭环系统极点配置在期望的位置上，从而使系统满足瞬态和稳态性能指标。3. 本课题研究的重点及难点，前期已开展工作3.1 研究的重点及难点本课题研究的重点主要是设计直线倒立摆的机械本体部分，研究直线单级倒立摆系统的 PID 控制算法、LQR 控制算法和，同时利用 MATLAB 仿真分析这三种算法的优缺点，讨论出现的问题及解决方法。难点是在运用 MATLAB 的过程中对源程序代码的编程以及对整个系统的稳定性分析。4. 完成本课题的工作方案及进度计划（按周次填写）（1）01-03 周：查阅资料，了解国内外倒立摆系统和实验设备现状，针对倒立摆学习相关知识，初步制定倒立摆控制系统设计方案，并撰写开题报告。 （2）04-06 周：掌握一些相关的知识点，掌握倒立摆系统仿真的整体思路；收集整理 MATLAB 仿真所需的资料 （3）07-09 周：完成控制器的的设计，在 MATLAB 中完成仿真，并对倒立摆的机械部分进行计算。（4）10-13 周：完善控制效果，分析输出结果，得出仿真结论，画装配图（5）14-15 周：撰写毕业论文和准备毕业答辩。- 5 -注：1）正文：宋体小四号字，行距 20 磅，单面打印；其他格式与毕业论文要求相同。2）开题报告由各系集中归档保存。3）开题报告引用参考文献注释格式可参照附录 E“毕业设计（论文）参考文献样式”执行。不进入正文，可以作为附件放在开题报告后面。5 指导教师意见（对课题的深度、广度及工作量的意见）指导教师： 年 月 日 6 所在系审查意见：系主管领导： 年 月 日- 6 -参考文献 1 黄苑红，梁慧冰 .从倒立摆装置的控制策略看控制理论的发展和应用.广东工业大学学报，2001, 19 (3):4952 2 Mori Shozo, H. Nishihara and K. Furuta. Control of unstable mechanicalystem: Control of pendulum. Int. J. of Control, 1976,23(5):673692. 3 Furuta K, Yamakita M and Kobayashi S. Swing-up control of inverted pendulum using pseudo-state feedback. J. Systems and Control Engineering, 1992, 206（14）:263269. 4 Wiklund, Magnus, Anders Kristenson and K. J. Astrom. A new strategy for swingup an inverted pendulum. In preprints IFAC 12th world congress. Sydney, Australia, 1993, 151154。 5 雷英杰，张善文，李续斌，周创明.MATLAB 遗传算法工具箱及应用。 西安:西安电子科技大学出版社.2005. 6 方雷，陈伟基。倒立摆控制方法概述，2006 年中国智能自动化学术会议论文集。 7 李祖枢，陈庆春 .倒摆系统的智能控制研究及其发展动向.西安:西安交通大学出版社，1997, l : 1419. 8 刘海龙，倒立摆系统的设计与研究. 硕士学位论文.大连理工大学，2006,911.
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