一级倒立摆开题报告

南京邮电大学毕业设计（论文）开题报告题目 一级倒立摆控制系统的状态反馈控制器设计与仿真学生姓名 班级学号 专业提纲（开题报告2000字以上）：对指导教师下达的课题任务的学习与理解；阅读文献资料进行调研的综述（10篇左右）；根据任务书的任务及文献调研结果，初步拟定的执行（实施）方案（含具体进度计划）一、对课题任务的学习和理解倒立摆控制系统是一个复杂的、不稳定的、非线性系统，是进行控制理论教学及开展各种控制实验的理想实验平台。通过对倒立摆的控制，用来检验新的控制方法是否有较强的处理非线性和不稳定性问题的能力。对倒立摆这样的一个典型被控对象进行研究，无论在理论上和方法上都具有重要意义。不仅由于其级数增加而产生的控制难度是对人类控制能力的有力挑战，更重要的是实现其控制稳定的过程中不断发现新的控制方法，探索新的控制理论，并进而将新的控制方法应用到更广泛的受控对象中。各种控制理论和方法都可以在这里得以充分实践，并且可以促成相互间的有机结合。在控制理论发展的过程中，某一理论的正确性及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。倒立摆的典型性在于作为一个装置，成本低廉，结构简单，便于模拟和数字多种不同方式控制；作为一个被控对象，又相当复杂，是高阶次，不稳定，多变量，非线性，强耦合系统。倒立摆的控制方法在军工、航天、机器人领域和一般工业过程中都有着广泛的用途，且对于揭示定性定量转换规律和策略具有普遍意义，因此对倒立摆系统的研究具有重要的理论和实践意义。在欧美发达国家的高等院校，它已经成为必备的控制理论教学实验设备。学生通过倒立摆系统实验来验证所学的控制理论和算法，非常的直观、简便，在轻松的实验中对所学的课程加深了理解。本文主要是围绕一级倒立摆系统，首先介绍了直线一阶倒立摆的物理结构，分析其受力情况，并在一定假设条件下，建立一阶级倒立摆系统的数学模型，并对其进行线性化，初步分析其运动特性。其次运用极点配置理论设计极点配置算法与控制器；运用线性二次型最优控制原理结合合适的Q,R阵求解最优控制矩阵并设计最优控制（LQR）方案。然后根据已经建立的系统数学模型，运用MATLAB的Simulink工具对极点配置控制方案和线性二次型最优控制（LQR）方案进行控制系统的仿真，得出仿真结果即各个输出量的波形，同时可利用编写的S函数仿真动画观察仿真结果。目的是通过设计加深对所学自动控制课程的理解，培养理论联系实际的能力。为进一步学习更高层次的控制理论奠定基础。二、阅读文献资料进行调研的综述国外在60年代就开始了对一级倒立摆系统的研究，在60年代后期，作为一个典型的不稳定、严重非线性例证提出了倒立摆的概念，并用其检验控制方法对不稳定、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，1982年，西安交通大学完成了二级倒立摆系统的研制和控制，采用了最优控制和降维观测器，以模拟电路实现；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。近年来，随着智能控制方法的研究逐渐受到人们的重视，模糊控制、神经网络、拟人智能控制、遗传算法和专家系统等越来越多的智能控制算法应用到倒立摆动系统的控制上。ChariesW.Andorson在1988年应用自学习模糊神经网络成功控制一级摆；周建波等用基于BP网络的规则控制也解决了单摆的稳定性控制问题；徐红兵等提出了基于变结构的模糊神经网络控制算法，实现了二级倒立摆系统的稳定性控制；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；2001年9月19日，北京师范大学李洪兴教授领导的复杂系统实时智能控制实验室采用变论域自适应模糊控制成功地实现了三级倒立摆实物系统控制，又于2002年8月11日在国际上首次成功实现了四级倒立摆实物控制系统，这是一项原创性的具有世界领先水平的标志性科研成果。最近几年，日本国内的研究机构对倒立摆系统的相关研究也比较多。其中，Mycom有限公司和东京工业大学、东京电机大学合作，利用谋划控制器，实现对倒立摆系统的起摆和稳定控制。日本庆应大学将对倒立摆起摆和稳定控制的研究成果应用到双足机器人的控制上，神奈川技术学院将摆的研究成果应用与轮椅性能的改善。而韩国忠南大学和台湾国立大学都曾经用神经网络实现对倒立摆系统的稳定控制。美国、波兰、加拿大、意大利也有研究机构对这类问题进行研究，只是不像亚洲地区如此集中。2.1倒立摆系统在有限长的轨道L上作直线运动的小车；与小车铰接在一起，并能在包含L的平面内绕口点转动的摆；3•驱动小车的直流力矩电机和转轮、钢丝等传动部分；4•使摆稳定在垂直向上的平衡位置，且使小车稳定在轨道中心位置附近的控制器一级倒立摆的结构简图如图1所示:功军放大图1:一级倒立摆的结构简图力矩电机功军放大图1:一级倒立摆的结构简图力矩电机LQR控制倒立摆系统是非线性、强藕合、多变量和自然不稳定的系统。线性二次型最优控制LinearQuadraticRegulator一LQR问题在现代控制理论中占有非常重要的位置。由于线性二次型(LQ)性能指标易于分析、处理和计算而且通过线性二次型最优设计方法得到的控制系统具有较好的鲁棒性与动态特性等优点线性二次型在控制界得到普遍重视。MATLAB仿真MATLAB是美国MathWork软件公司于1984年推出的一种用于科学计算的高性能语言。它集数值计算、图形图像显示以及编程于一体是常用的控制系统分析与设计工具。1990年MathWorks软件公司为MATLAB提供了新的控制系统图形化模型输入与仿真工具Simulink它是MATLAB的一个扩展软件模块。该模块提供了一个建模、分析与仿真等多种物理与数学问题的软件环境并为图形用户界面提供了动态系统的结构方块图模型从而使用户可以既快又方便地对系统进行建模、仿真而不必写任何代码程序。因此该工具很快就在控制工程界获得了广泛的认可并使仿真软件进入了系统模型的图形组态阶段。三•执行方案3.1课题解决实施方案：掌握倒立摆系统的组成和控制原理，建立一阶级倒立摆系统的数学模型。确定系统各项参数得到仿真模型。运用极点配置理论设计极点配置算法与控制器。运用线性二次型最优控制原理求解最优控制矩阵并设计最优控制(LQR)方案。⑸运用MATLAB的Simulink工具对极点配置控制方案和线性二次型最优控制(LQR)方案进行控制系统的仿真。比较两种控制方法的优缺点，得出结论。3.2工作进度安排：第01-02周：了解本课题设计要求，针对倒立摆系统学习相关知识；第02-05周：完成开题报告以及相关知识点的掌握；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；第06-08周：掌握倒立摆常用控制方法和设计过程，计算参数，制作一级倒立摆系统；第09-12周：完成极点配置和线性最优二次型控制器设计；在matlab中完成仿真；第13-14周：完成学生完善控制效果，分析输出结果，得出仿真结论；第15-17周：编写毕业设计论文和准备毕业答辩。参考文献：王宏华.现代控制理论.北京：电子工业出版社，2006谢克明.自动控制原理.北京：电子工业出版社，2004胡寿松.自动控制原理(第4版).北京：科学出版社，2001于子淞.单级倒立摆建模及其控制方法设计.电脑知识与技术，2008,(4),(8)CHENWJ,FANGL,LEIKK.FuzzyLogicControllerforanInvertedPendulumSystem[C].IEEEInternationalConferenceonIntelligentProcessing