直線倒立擺的穩(wěn)定控制算法設計開題報告.doc

畢業(yè)設計(論文)開題報告題目：直線倒立擺的穩(wěn)定控制算法設計系別機電信息系專業(yè)機械設計制造及其自動化班級姓名學號導師2012年12月17日-1-1.畢業(yè)設計（論文）綜述（題目背景、研究意義及國內外相關研究情況）1.1題目背景和研究意義在控制理論發(fā)展的過程中，某一理論的正確性及在實際應用中的可行性需要一個按其理論設計的控制器去控制一個典型對象來驗證這一理論，倒立擺就是這樣一個被控對象。倒立擺是一個多變量、快速、非線性、強藕合、和絕對不穩(wěn)定的系統(tǒng)，通過對它引入一個適當?shù)目刂品椒ㄊ怪蔀橐粋€穩(wěn)定系統(tǒng)，來檢驗控制方法對不穩(wěn)定、非線性和快速性系統(tǒng)的處理能力；而且在倒立擺的控制過程中，它能有效地反映諸如可鎮(zhèn)定性、魯棒性、隨動性以及跟蹤性能等許多自動控制領域中的關鍵問題,因此受到世界各國許多科學家的重視，用不同的控制方法控制不同類型的倒立擺，成為最具有挑戰(zhàn)性的課題之一。1對倒立擺系統(tǒng)的研究不僅僅在其結構簡單、原理清晰、易于實現(xiàn)等特點，而且作為典型的多變量系統(tǒng)，可采用實驗來研究控制理論中許多方面的問題。諸如:模型的建立、狀態(tài)反饋、觀測器理論、快速控制理論以及濾波理論等都可以用于這類系統(tǒng)。另一方面對系統(tǒng)的研究也比較有實用價值，從日常生活中所見的任何重心在上、支點在下的控制問題，到空間飛行器和各類伺服云臺的穩(wěn)定，都和倒立擺的控制有很大的相似性，故對其的穩(wěn)定控制在實際中有很多用場，如海上鉆井平臺的穩(wěn)定控制、衛(wèi)星發(fā)射架的穩(wěn)定控制、火箭姿態(tài)控制、飛機安全著陸、機器人雙足行走機構、化工過程控制等都屬這類問題。倒立擺的研究不僅有其深刻的理論意義，還有重要的工程背景。在多種控制理論與方法的研究和應用中，特別是在工程實踐中，也存在一種可行性的試驗問題，控制理論在當前的工程技術界，主要是如何面向工程實際、面向工程應用的問題。一項工程的實施也存在一種可行性的試驗問題，用一套較好的、較完備的試驗設備，將其理論及方法進行有效的檢驗，倒立擺可為此提供一個從控制理論通往實踐的橋梁。在穩(wěn)定性控制問題上，倒立擺既具有普遍性又具有典型性。倒立擺的典型性在于，倒擺系統(tǒng)作為一個控制裝置，它結構簡單、價格低廉，便于模擬和數(shù)字多種不同的方式控制，通過引入適當?shù)目刂品绞绞怪蔀橐粋€穩(wěn)定的系統(tǒng)。倒立擺系統(tǒng)可以用多種理論和方法來實現(xiàn)其穩(wěn)定控制，如PID、自適應、狀態(tài)反饋、智能控制、模糊控制及人工神經元網(wǎng)絡等多種理論和方法，都能在倒立擺系統(tǒng)控制上得到實現(xiàn)，而且當一種新的控制理論和方法提出以后，在不能用理論加以嚴格證明時，可以考慮通過倒立擺裝置來驗證其正確性和實用性。2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，機器人的關鍵技術機器人的行走控制至今仍未能很好解決。-2-（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)，要不斷進行實時控制。（3）通信衛(wèi)星中在預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直指向太陽。（4）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)進行研究。（5）偵察衛(wèi)星中攝像機的輕微抖動會對攝像的圖象質量產生很大的影響，為了提高攝像的質量，必須能自動地保持伺服云臺的穩(wěn)定，消除震動。1.2國內外相關研究情況倒立擺系統(tǒng)研究最早始于上世紀50年代，麻省理工學院機電工程系的控制論專家根據(jù)火箭發(fā)射助推器原理設計出一級倒立擺實驗裝置。正式提出倒立擺概念的是60年代后期。在此基礎上，世界各國專家和學者對倒立擺進行了拓展，產生了直線二級倒立擺、三級倒立擺、多級倒立擺、柔性直線倒立擺、環(huán)形倒立擺、平面倒立擺、環(huán)形并聯(lián)多級倒立擺以及斜坡倒立擺等實驗設備，并用不同的控制方法對其進行了控制。1976年Morietc首先把倒立擺系統(tǒng)在平衡點附近線性化，利用狀態(tài)空間方法設計比例微分控制器實現(xiàn)了一級倒立擺的穩(wěn)定控制。1984年，F(xiàn)uruta等人應用最優(yōu)狀態(tài)調節(jié)器理論首次實現(xiàn)雙電機三級倒立擺實物控制。380年代后期開始，較多的研究了倒立擺系統(tǒng)中的非線性特性，提出了一系列的基于非線性分析的控制策略，1993年，Wiklund等人應用基于李亞普諾夫的方法控制了環(huán)形一級倒立擺。41997年，Gordill比較了LQR方法和基于遺傳算法的控制方法，結論是傳統(tǒng)控制方法比遺傳算法控制效果更好。采用留優(yōu)遺傳算法，以被控系統(tǒng)的動能積分為性能指標實現(xiàn)對倒立擺控制算法的參數(shù)尋優(yōu)。5國內對倒立擺的研究始于80年代，三級倒立擺及多級倒立擺的研究也取得了很大進展，不僅在系統(tǒng)仿真方面，而且在實物實驗中，都出現(xiàn)了控制成功的范例。尹征琦等成功的以模擬的降維觀測器實現(xiàn)了二級倒立擺的控制。6梁任秋等針對二級倒立擺系統(tǒng)給出了三種實用的數(shù)字控制器和降維觀測器。1994年，北京航空航天大學教授張明廉將人工智能與自動控制理論相結合，提出“擬人智能控制理論”，實現(xiàn)了用單電動機控制三級倒立擺實物以及后來實現(xiàn)對二維單倒立擺控制。張乃堯等用雙閉環(huán)模糊控制方法對倒立擺進行了控制。李祖樞等人利用仿人智能控制理論研究了二級倒立擺的起擺和控制問題。2002年實現(xiàn)了四級倒立擺實物控制。2005年，羅成等人實現(xiàn)了五級倒立擺的控制。72.本課題研究的主要內容和擬采用的研究方案、研究方法或措施2.1本課題研究的主要內容本論文的主要工作是設計直線倒立擺系統(tǒng)的機械本體部分，并分別進行PID、-3-線性二次最優(yōu)控制、狀態(tài)空間極點配置的比較，用Matlab對一級、二級、三級倒立擺控制系統(tǒng)進行了仿真，驗證了設計的可行性。具體內容如下:(l)詳細論述一級、二級、三級直線倒立擺數(shù)學建模方法，推導出他們的微分方程，以及線性化后的狀態(tài)方程。(2)分析倒立擺系統(tǒng)的控制方法。分別用現(xiàn)代控制理論及經典控制理論對一級倒立擺把位置控制和角度控制串聯(lián)起來控制倒立擺系統(tǒng)。利用matlab仿真系統(tǒng)，比較各個控制系統(tǒng)在控制一階、二級、三級倒立擺的時候的優(yōu)缺點，討論出現(xiàn)的問題及解決方法。(3)設計繪制直線倒立擺的裝配圖。2.2本課題擬采用的設計方案倒立擺的控制問題就是使擺桿盡快地達到一個平衡位置，并且使之沒有較大的振蕩和過大的角度和速度。當擺桿到達期望的位置后，系統(tǒng)能克服隨機擾動而保持穩(wěn)定的位置。倒立擺的機械部分由上位機作為控制界面的輸出，通過上位機對倒立擺系統(tǒng)的仿真過程進行參數(shù)的選改，運動控制卡進行電機反饋和角度編碼器的反饋計算，并將參數(shù)的反饋發(fā)送到電機驅動器，進而控制電機輸出.。直線倒立擺系統(tǒng)機械本體部分的動力部分由電機直接輸出，作為一般的機電系統(tǒng)，針對倒立擺的系統(tǒng)要求的響應快、傳動精度高、穩(wěn)定性好等特性，電機選擇小慣量的步進電機或者伺服電機?？刂瓶ㄆ诵膭t選用高性能數(shù)字處理器，以滿足系統(tǒng)的高階響應特性。方案1：伺服電機+光電編碼器+PLD+鏈條優(yōu)點：閉環(huán)控制、精度高缺點：結構復雜方案2：步進電機+旋轉式編碼器+單片機+同步帶優(yōu)點：精度高、響應快、結構簡單缺點：電機有可能產生失步，摩擦力大方案3：交流伺服電機+光電式編碼器+DSP優(yōu)點：精度高、響應快、結構簡單缺點：價格高選用方案2具有高響應、高穩(wěn)態(tài)、高加速度的電機來驅動倒立擺，有很好的控制效果；具有位置和角度同時需要控制的特點，是一個很好的用于驗證控制理論的實驗平臺。對于控制器的設計，本文通過研究PID控制器的控制偏差，控制規(guī)律和它的控制原理來實現(xiàn)PID控制算法仿真。LQR控制需要求解Riccati方程和確定Q和R權矩陣實現(xiàn)算法仿真。狀態(tài)空間極點配置法通過設計狀態(tài)反饋控制器將多變量系統(tǒng)的閉環(huán)系-4-統(tǒng)極點配置在期望的位置上，從而使系統(tǒng)滿足瞬態(tài)和穩(wěn)態(tài)性能指標。3.本課題研究的重點及難點，前期已開展工作3.1研究的重點及難點本課題研究的重點主要是設計直線倒立擺的機械本體部分，研究直線單級倒立擺系統(tǒng)的PID控制算法、LQR控制算法和，同時利用MATLAB仿真分析這三種算法的優(yōu)缺點，討論出現(xiàn)的問題及解決方法。難點是在運用MATLAB的過程中對源程序代碼的編程以及對整個系統(tǒng)的穩(wěn)定性分析。4.完成本課題的工作方案及進度計劃（按周次填寫）（1）01-03周：查閱資料，了解國內外倒立擺系統(tǒng)和實驗設備現(xiàn)狀，針對倒立擺學習相關知識，初步制定倒