直線倒立擺的穩(wěn)定控制算法設(shè)計論文[帶圖紙].doc

本科畢業(yè)設(shè)計(論文)題目：直線倒立擺的穩(wěn)定控制算法設(shè)計系別：機電信息系專業(yè)：機械設(shè)計制造及其自動化班級：學(xué)生：學(xué)號：指導(dǎo)教師：2013年5月I直線倒立擺的穩(wěn)定控制算法設(shè)計摘要本文首先利用牛頓力學(xué)分析的方法和拉格朗日法建立了直線一級、二級、三級倒立擺實物系統(tǒng)的線性狀態(tài)方程，并在此基礎(chǔ)上分析了該系統(tǒng)是不穩(wěn)定的，同時又是能控的和能觀的?；诖吮疚脑O(shè)計了直線倒立擺系統(tǒng)的機械本體部分，研究了直線一級、二級、三級倒立擺系統(tǒng)的PID、LQR和狀態(tài)空間極點配置控制算法，同時利用MATLAB/Simulink對各個算法進行分析，由仿真結(jié)果表明：對于像倒立擺這樣的非線性模型，通過對其數(shù)學(xué)模型的建立，設(shè)計相應(yīng)的控制器,并對其實現(xiàn)控制是可行的。關(guān)鍵詞：直線倒立擺；PID；LQR；狀態(tài)空間極點配置；仿真IIThestabilityoflinearinvertedpendulumcontrolalgorithmdesignAbstractInthispaper，wefirstlyusetheNewtonmechanicsanalysismethodandtheLagrangemethodtoestablishthelinearlevel1，level2，level3invertedpendulumlinearstateequationofrealsystem.Inthemeantime，thesystemisunstablebyanalyzingthelinearstateequation，butitisalsocontrollableandobservable.Andthenwedescribeonthephysicalsystemofthelinearinvertedpendulum.Thispaperstudiedthelinearlevel1，level2，level3oftheinvertedpendulumsystemPID，LQRandstatespacepoleassignmentcontrolalgorithm，atthesametimeanalyzevariousalgorithmswithMATLAB/Simulink.Bythesimulationresultsshowthat：Besimilarytoinvertedpendulumisforthenon-linearmodel，throughitsmathematicalmodel，theappropriatedesignofcontroller，andinitsimplementationcontrolisfeasiblly.Keywords：linearinvertedpendulum；PID；LQR；statespacepoleconfiguration；simulationIII目錄1緒論.11.1前言.11.2倒立擺系統(tǒng)研究背景及意義.11.3國內(nèi)外倒立擺控制研究發(fā)展及現(xiàn)狀.21.4本文主要工作.42倒立擺機械系統(tǒng)設(shè)計及實現(xiàn).52.1倒立擺簡介.52.2倒立擺工作特性和工作原理.52.2.1工作特性.52.2.2系統(tǒng)工作原理.52.3系統(tǒng)機械結(jié)構(gòu)設(shè)計.62.3.1底座設(shè)計.62.3.2小車部分設(shè)計.62.3.3傳動部分設(shè)計.72.3.4步進電機選擇.73一級直線倒立擺系統(tǒng)的建模分析與仿真.103.1一級倒立擺模型分析.103.1.1系統(tǒng)可觀可控性分析.133.1.2系統(tǒng)階躍響應(yīng)分析.143.2一級直線倒立擺控制器設(shè)計與仿真.153.2.1PID控制器設(shè)計及算法仿真.153.2.2LQR控制器設(shè)計及算法仿真.183.2.3狀態(tài)空間極點配置控制設(shè)計及仿真.203.2.4小結(jié).224二級直線倒立擺系統(tǒng)的建模分析與仿真.244.1二級倒立擺模型的分析.244.1.1二級倒立擺穩(wěn)定性分析.294.1.2能控性能觀性分析.294.2二級直線倒立擺控制器設(shè)計與仿真.304.2.1LQR控制器設(shè)計及算法仿真.304.2.2狀態(tài)空間極點配置控制設(shè)計及仿真.314.2.3小結(jié).32IV5三級直線倒立擺系統(tǒng)建模分析與仿真.345.1二級倒立擺模型分析.345.1.1三級倒立擺穩(wěn)定性分析.395.1.2能控性能觀性分析.395.2三級直線倒立擺控制器設(shè)計與仿真.405.2.1LQR控制器設(shè)計及算法仿真.405.2.