基于Matlab-simulink的倒立擺系統(tǒng)控制設(shè)計與仿真-開題報告

1、題 目 基于Matlab-simulink的倒立擺系統(tǒng)控制設(shè)計與仿真 畢 業(yè) 論 文（設(shè) 計）開 題 報 告1本課題的目的及研究意義倒立擺是一個在學(xué)術(shù)界備受關(guān)注的重點研究的高階次系統(tǒng)，另外，他還是一個具有多變量、強耦合和絕對不穩(wěn)定特性的非線性系統(tǒng)。它能在倒立擺的控制過程中有效反映像隨動性、可鎮(zhèn)定性、魯棒性以及跟蹤行等許多的核心問題。正是由于此系統(tǒng)是一個非線性系統(tǒng)，在控制領(lǐng)域中，也受到很多研究者的重視。此外，無論幾級的倒立擺，在高校的實踐教學(xué)中，也體現(xiàn)出了他們各自的價值。它不僅可以作為實驗性設(shè)備，而且可以還是一個有代表性的數(shù)學(xué)模型。當(dāng)我們隊此系統(tǒng)進(jìn)行研究解析之后，很多控制界的問題得以解決，這些一

2、直困擾研究者的理論問題和實踐上遇到的技術(shù)問題。它能夠把電學(xué)、力學(xué)和數(shù)學(xué)聯(lián)系到一起，共同運用到這個系統(tǒng)中。這樣可以把學(xué)生課堂上所學(xué)的理論知識能夠應(yīng)用到實際的控制當(dāng)中，這大大提高了教學(xué)質(zhì)量。諸多特性，使他在國際界備受重視。倒立擺系統(tǒng)被人們用來驗證試驗研究的對象，曾被認(rèn)為是最佳的理論方法，廣泛應(yīng)用于機器人學(xué)、伺服控制、航天、軍工等領(lǐng)域，因而研究倒立擺系統(tǒng)不僅具有很強的理論意義，而且它又具有很強的工程意義。眾所周知，自然界的許多系統(tǒng)都不穩(wěn)定的，其中最具有代表性的就是本文研究地倒立擺系統(tǒng)，我的目的就是選擇一個行之有效的控制方法來設(shè)計一個控制器，使不穩(wěn)定的二級倒立擺受控對象變成一個趨于穩(wěn)定的控制系統(tǒng)。到目

3、前為止，已涌現(xiàn)出來各種各樣的控制算法，比如模糊、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、狀態(tài)反饋、自適應(yīng)、PID以及變結(jié)構(gòu)等，他們都各自展現(xiàn)了其特有的控制能力。本文采用模糊PID控制，實現(xiàn)對二級旋轉(zhuǎn)倒立擺的穩(wěn)定性進(jìn)行有效控制。2本課題的國內(nèi)外的研究現(xiàn)狀 早在20世紀(jì)60年代，人們就開始了對倒立擺系統(tǒng)的研究。1966年Schacfer和Cannon應(yīng)用Bang-Bang控制理論，將一個曲軸穩(wěn)定于倒置位置。到了20世紀(jì)60年代后期，倒立擺作為一個典型不穩(wěn)定、非線性的例證被提出。自此，對于倒立擺系統(tǒng)的研究便成了控制界關(guān)注的焦點。倒立擺的種類很多，有懸掛式倒立擺、平行倒立擺、環(huán)形倒立擺、平面倒立擺；倒立擺的級數(shù)可以是一級、二級、三

4、級、四級乃至多級；倒立擺的運動軌道可以是水平的，還可以是傾斜的(這對實際機器人的步行穩(wěn)定控制研究更有意義)； 控制電機可以是單電機，也可以是多級電機。目前有關(guān)倒立擺的研究主要集中在亞洲，如中國的北京師范大學(xué)、北京航空航天大學(xué)、中國科技大學(xué)；日本的東京工業(yè)大學(xué)、東京電機大學(xué)、東京大學(xué)；韓國的釜山大學(xué)、忠南大學(xué)，此外，俄羅斯的圣彼得堡大學(xué)、美國的東佛羅里達(dá)大學(xué)、俄羅斯科學(xué)院、波蘭的波茲南技術(shù)大學(xué)、意大利的佛羅倫薩大學(xué)也對這個領(lǐng)域有持續(xù)的研究。近年來，雖然各種新型倒立擺不斷問世，但是可自主研發(fā)并生產(chǎn)倒立擺裝置的廠家并不多。目前，國內(nèi)各高校基本上都采用香港固高公司和加拿大Quanser公司生產(chǎn)的系統(tǒng)；

5、其它一些生產(chǎn)廠家還包括（韓國）奧格斯科技發(fā)展有限公司（FT-4820型倒立擺）、保定航空技術(shù)實業(yè)有限公司；最近，鄭州微納科技有限公司的微納科技直線電機倒立擺的研制取得了成功。倒立擺的研究具有重要的工程背景：(1) 機器人的站立與行走類似雙倒立擺系統(tǒng)，盡管第一臺機器人在美國問世至今已有三十年的歷史，機器人的關(guān)鍵技術(shù)機器人的行走控制至今仍未能很好解決。(2) 在火箭等飛行器的飛行過程中，為了保持其正確的姿態(tài)，要不斷進(jìn)行實時控制。(3) 通信衛(wèi)星在預(yù)先計算好的軌道和確定的位置上運行的同時，要保持其穩(wěn)定的姿態(tài)，使衛(wèi)星天線一直指向地球，使它的太陽能電池板一直指向太陽。(4) 偵察衛(wèi)星中攝像機的輕微抖動會

6、對攝像的圖像質(zhì)量產(chǎn)生很大的影響，為了提高攝像的質(zhì)量，必須能自動地保持伺服云臺的穩(wěn)定，消除震動。(5) 為防止單級火箭在拐彎時斷裂而誕生的柔性火箭(多級火箭)， 其飛行姿態(tài)的控制也可以用多級倒立擺系統(tǒng)進(jìn)行研究。由于倒立擺系統(tǒng)與雙足機器人，火箭飛行控制和各類伺服云臺穩(wěn)定有很大相似性，因此對倒立擺控制機理的研究具有重要的理論和實踐意義。魯棒控制是自動控制領(lǐng)域 20 世紀(jì)末最重要的研究結(jié)果之一。簡單地說魯棒控制處理的是不確定性對象，這種不確定性包括外部擾動、模型參數(shù)變化未建模動態(tài)(即模型與實際系統(tǒng)差異)、 執(zhí)行器的誤差等等。魯棒控制算法在倒立擺中的應(yīng)用，盡管這方面的研究工作還沒有充分展開，但從已有的一

7、些研究成果不難推斷出，魯棒控制方法是解決倒立擺這一對象非線性、復(fù)雜性和不確定性的一種工具。魯棒控制的發(fā)展方向是面向不確定性的研究對象，如何將其研究成果與實際應(yīng)用相結(jié)合，解決不確定系統(tǒng)的控制問題，或使已有的控制系統(tǒng)具有更強的魯棒性，這是一項艱巨而復(fù)雜的工作。倒立擺是一個驗證理論的正確性及實際應(yīng)用中的可行性的典型對象。通過將魯棒控制算法應(yīng)用到倒立擺中來驗證魯棒控制算法優(yōu)越性，最終將魯棒算法的實際應(yīng)用更進(jìn)一步。倒立擺的PID控制能夠得到普遍的應(yīng)用與其自身的特點有很大關(guān)系，首先它可以變形，而且變形之后依然可以達(dá)到一個很好的控制效果，所以今天至少有接近90%的回路在采用這種方法。由于它除具有簡單的結(jié)構(gòu)、

8、好的魯棒性、可靠性等特點外，還有便于操作性等諸多優(yōu)點，因此它在冶金、電力、化工等工業(yè)制造生產(chǎn)過程中得到廣泛的應(yīng)用。但是它不可能不經(jīng)過完善改進(jìn)或者創(chuàng)新而一直這樣發(fā)展下去，因為工業(yè)的需要，它必須不斷地改進(jìn)來適應(yīng)控制領(lǐng)域的要求。所以后來出現(xiàn)了新的PID算法，比如位置式PID控制、增量式PID等。但是僅有這兩種最簡單基本的算法是肯定不能滿足當(dāng)今工業(yè)系統(tǒng)發(fā)展要求的，于是又激發(fā)出了很多改進(jìn)后的PID算法，比如積分分段、積分分離化等。當(dāng)然了，后來很多算法變涌現(xiàn)出來了，但不管是什么算法都是基于基本算法產(chǎn)生的，通俗點就是對基本算法進(jìn)行拆分、組合、添加進(jìn)而衍生出其他算法。 眾所周知，PID在控制界已得到了廣泛的應(yīng)

9、用并且控制算法的精度在不斷地提高，然而，實際情況中的控制系統(tǒng)當(dāng)中的被控對象具有高度的非線性、隨時間變化的不確定性等特點，所以其遠(yuǎn)比人類所能想象的復(fù)雜地多，因而數(shù)字式PID調(diào)節(jié)器雖然具有了很好的穩(wěn)定精度，但是他不能兼顧控制系統(tǒng)的動態(tài)特性。為了解決這個矛盾，我們假設(shè)這樣的情況下，就是參數(shù)可以在線調(diào)整。所以，智能控制的出現(xiàn)為這些問題提供了一條有效的途徑，隨著他的問世，實際控制系統(tǒng)中的參數(shù)變化問題便得到了解決。隨著智能控制的發(fā)展，研究者變順勢把常規(guī)的PID控制跟智能控制進(jìn)行了有效的結(jié)合，結(jié)合之后便出現(xiàn)了各種智能PID控制器，比如神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、專家型、模糊性、遺傳算法等幾種類型的智能PID控制器等。它克服了

10、參數(shù)整定的問題，可以隨意修改參數(shù)，具有自學(xué)習(xí)、自組織、自適應(yīng)的能力。它把兩種控制器的優(yōu)點集中到一個控制器上，自然而然，智能PID控制器在實際應(yīng)用中最廣泛。模糊控制理論經(jīng)過幾十年的發(fā)展，模糊PID控制也就相應(yīng)變成了控制界的研究熱點，于是便出現(xiàn)了很多不同類型的模糊PID控制器。最簡單的有：直接控制量和增益調(diào)整兩種類型，隨后便出現(xiàn)了很多參數(shù)整定的規(guī)律和經(jīng)驗。模糊PID控制已經(jīng)在很多工業(yè)控制過程中得到了很好應(yīng)用?？傊?，設(shè)計一個良好的模糊PID控制器，最主要的就是要能夠很好地進(jìn)行實時在線調(diào)整常規(guī)PID控制器中的三個參數(shù)、 、,最終能夠使得這三個參數(shù)隨著誤差變化，自動調(diào)節(jié)輸出。這不僅解決了單純的模糊控制器

11、的精度問題，而且解決了常規(guī)PID控制器對環(huán)境變化反應(yīng)緩慢的問題。 畢 業(yè) 論 文（設(shè) 計）開 題 報 告3本課題的研究內(nèi)容 1、Abstract部分。論文首先進(jìn)行摘要的編寫，即英文和中文摘要；具體為本文主要介紹基于MATLAB的倒立擺PID控制算法及仿真。通過分析二階倒立擺的的系統(tǒng)原理和研究物理模型，然后使用狀態(tài)空間理論推導(dǎo)出其非線性模型,再在平衡點處進(jìn)行線性化得到倒立擺系統(tǒng)簡化動態(tài)方程，實現(xiàn)數(shù)學(xué)模型的建立。最后在MATLAB中進(jìn)行二階倒立擺系統(tǒng)仿真，得到系統(tǒng)的響應(yīng)曲線，從而實現(xiàn)對二級倒立擺的穩(wěn)定性的有效控制。 2、緒論部分(包括引言）。主要包括課題研究地意義、倒立擺研究歷史及其現(xiàn)狀

12、、倒立擺的控制規(guī)律、PID控制現(xiàn)狀分析與研究以及論文的主要工作；具體為倒立擺系統(tǒng)是一個具有多變量、強耦合和絕對不穩(wěn)定的特性的非線性系統(tǒng)。它能在倒立擺的控制過程中有效反映像隨動性、可鎮(zhèn)定性、魯棒性以及跟蹤行等許多的核心問題。倒立擺系統(tǒng)被人們用來驗證試驗研究的對象，曾被認(rèn)為是最佳的理論方法，廣泛應(yīng)用于機器人學(xué)、伺服控制、航天、軍工等領(lǐng)域，因而研究倒立擺系統(tǒng)不僅具有很強的理論意義，而且它又具有很強的工程意義。隨著科學(xué)前沿的不斷前進(jìn)，對倒立擺系統(tǒng)的研究越來越深入，涌現(xiàn)出了許多二級倒立擺的控制改進(jìn)方案和控制方法。本文采用了模糊PID控制，并在前人研究的基礎(chǔ)上，繼續(xù)補充完善模糊PID算法，實現(xiàn)對二級旋轉(zhuǎn)倒

13、立擺的穩(wěn)定性進(jìn)行有效控制。為了實現(xiàn)論證的成功，本文主要需要解決的三個問題： 1）實現(xiàn)直線二級倒立擺的仿真控制； 2）可以用倒立擺對其正確性和實用性加以物理驗證，并對各種方法進(jìn)行快捷、有效的比較； 3）實驗效果顯著、直觀。 3、倒立擺簡介。包括倒立擺系統(tǒng)組成、系統(tǒng)框圖、實物圖片、公式、主要原理以及現(xiàn)有控制方法； 4、PID和模糊控制簡介。主要包括PID自動控制理論簡述，介紹傳遞函數(shù)、PID算法以及各種PID算法的優(yōu)缺點；PID大致為模擬PID調(diào)節(jié)器（包括模擬PID控制系統(tǒng)組成、模擬PID調(diào)節(jié)器的微分方程和傳輸函數(shù)、PID調(diào)節(jié)器各校正環(huán)節(jié)的作用等）、數(shù)字PID控制器模擬PID控制規(guī)律的離散化（包括

14、位置式PID控制算法、增量式PID控制算法以及各自優(yōu)缺點等）；模糊控制是以模糊集合論、模糊語言變量及模糊推理為基礎(chǔ)的計算機智能控制，基本概念是美國加利福尼亞大學(xué)著名教授查德（L.A.Zadeh）首先提出的，經(jīng)過二十多年的發(fā)展，在模糊控制理論和應(yīng)用研究方面都取得了重大的成功。模糊控制器實際上是依靠微機或單片機構(gòu)成的，它的絕大部分功能是由計算機程序來完成，隨著專用模糊芯片的研究和開發(fā)，也可以由硬件逐步取代各組成單元的軟件功能。本論文主要介紹模糊推理的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)以及PID參數(shù)在線整定原則等 5、構(gòu)建系統(tǒng)模型以及二級倒立擺數(shù)學(xué)模型的建立及分析。主要包括數(shù)學(xué)模型的推導(dǎo)（包括建立非線性數(shù)學(xué)模型和模型線性化處

15、理）、二級倒立擺的穩(wěn)定分析； 6、簡要介紹Matlabsimulink;主要包括MATLAB的發(fā)展情況、MATLAB系統(tǒng)功能及特點、MATLAB在控制系統(tǒng)中的應(yīng)用、Simulink動態(tài)仿真功能等； 7、倒立擺系統(tǒng)仿真實驗研究。主要包括系統(tǒng)PID控制的倒立擺系統(tǒng)的仿真、實際控制；4本課題的實行方案、進(jìn)度及預(yù)期效果1)實行方案： 采取模糊PID控制算法對不穩(wěn)定的二級倒立擺系統(tǒng)進(jìn)行穩(wěn)定性控制。2） 論文進(jìn)度： 3.22前 準(zhǔn)備階段 學(xué)習(xí)畢業(yè)論文有關(guān)文件(熟悉被控對象熟悉以及Matlab軟件，并求出系統(tǒng)響應(yīng))以及認(rèn)真填寫任務(wù)書; 3.22-4.10 完成開題報告; 1、查閱資料，熟悉被控對象，翻譯外文

16、資料； 2、對被控對象進(jìn)行建立傳遞函數(shù)和狀態(tài)空間模型； 3、熟悉Matlab軟件，求系統(tǒng)響應(yīng)； 4、在Matlab中進(jìn)行仿真實熟悉各種控制算法； 5、實驗，并分析仿真結(jié)果； 6、結(jié)合仿真實驗進(jìn)行實時控制； 7、結(jié)合編碼器、伺服電機的仿真控制設(shè)計二級倒立擺模型； 8、在Matlab中進(jìn)行仿真實驗，并分析、調(diào)試仿真結(jié)果； 4.10-5.17 查閱并翻譯相關(guān)外文文獻(xiàn)以及撰寫完成畢業(yè)論文; 5.18-5.24 做好答辯前的工作，準(zhǔn)備答辯; 5.25-6.4 參加答辯以及查閱;3）預(yù)期效果：在沒有其他干擾的情況下，仿真曲線應(yīng)該正常。經(jīng)過細(xì)致分析可以發(fā)現(xiàn)采用模糊PID的控制方法具有調(diào)節(jié)時間很短、穩(wěn)態(tài)誤差很

17、低、超調(diào)量也很小的優(yōu)點，其效果要明顯有優(yōu)于其他的控制方法，其魯棒性，動態(tài)性，準(zhǔn)確性明顯優(yōu)于傳統(tǒng)PID控制.畢 業(yè) 論 文（設(shè) 計）開 題 報 告5、已查閱參考文獻(xiàn)：1 申鐵龍.機器人魯棒控制基礎(chǔ)M.清華大學(xué)出版社.2 解金旺,徐文尚,徐學(xué)強.基于Active X的MATLAB與VB的數(shù)據(jù)交換與集成開發(fā)J.工業(yè)控制計算機3 蘇金明,黃國明,劉波等.MATLAB 與外部程序接口M.北京:電子工業(yè)出版社4 高會生,李新葉,胡智奇.MATLAB原理與工程應(yīng)用M.電子工業(yè)出版社5 胡壽松.自動控制原理M.北京：科學(xué)出版社，20076 黃文梅，楊勇，熊桂林，成曉明等.系統(tǒng)仿真分析與設(shè)計：MATLAB語言工

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