一級(jí)倒立擺開題報(bào)告

南京郵電大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）開題報(bào)告題目 一級(jí)倒立擺控制系統(tǒng)的狀態(tài)反饋控制器設(shè)計(jì)與仿真學(xué)生姓名 班級(jí)學(xué)號(hào) 專業(yè)提綱（開題報(bào)告2000字以上）：對(duì)指導(dǎo)教師下達(dá)的課題任務(wù)的學(xué)習(xí)與理解；閱讀文獻(xiàn)資料進(jìn)行調(diào)研的綜述（10篇左右）；根據(jù)任務(wù)書的任務(wù)及文獻(xiàn)調(diào)研結(jié)果，初步擬定的執(zhí)行（實(shí)施）方案（含具體進(jìn)度計(jì)劃）一、對(duì)課題任務(wù)的學(xué)習(xí)和理解倒立擺控制系統(tǒng)是一個(gè)復(fù)雜的、不穩(wěn)定的、非線性系統(tǒng)，是進(jìn)行控制理論教學(xué)及開展各種控制實(shí)驗(yàn)的理想實(shí)驗(yàn)平臺(tái)。通過對(duì)倒立擺的控制，用來檢驗(yàn)新的控制方法是否有較強(qiáng)的處理非線性和不穩(wěn)定性問題的能力。對(duì)倒立擺這樣的一個(gè)典型被控對(duì)象進(jìn)行研究，無論在理論上和方法上都具有重要意義。不僅由于其級(jí)數(shù)增加而產(chǎn)生的控制難度是對(duì)人類控制能力的有力挑戰(zhàn)，更重要的是實(shí)現(xiàn)其控制穩(wěn)定的過程中不斷發(fā)現(xiàn)新的控制方法，探索新的控制理論，并進(jìn)而將新的控制方法應(yīng)用到更廣泛的受控對(duì)象中。各種控制理論和方法都可以在這里得以充分實(shí)踐，并且可以促成相互間的有機(jī)結(jié)合。在控制理論發(fā)展的過程中，某一理論的正確性及實(shí)際應(yīng)用中的可行性需要一個(gè)按其理論設(shè)計(jì)的控制器去控制一個(gè)典型對(duì)象來驗(yàn)證。倒立擺的典型性在于作為一個(gè)裝置，成本低廉，結(jié)構(gòu)簡單，便于模擬和數(shù)字多種不同方式控制；作為一個(gè)被控對(duì)象，又相當(dāng)復(fù)雜，是高階次，不穩(wěn)定，多變量，非線性，強(qiáng)耦合系統(tǒng)。倒立擺的控制方法在軍工、航天、機(jī)器人領(lǐng)域和一般工業(yè)過程中都有著廣泛的用途，且對(duì)于揭示定性定量轉(zhuǎn)換規(guī)律和策略具有普遍意義，因此對(duì)倒立擺系統(tǒng)的研究具有重要的理論和實(shí)踐意義。在歐美發(fā)達(dá)國家的高等院校，它已經(jīng)成為必備的控制理論教學(xué)實(shí)驗(yàn)設(shè)備。學(xué)生通過倒立擺系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)來驗(yàn)證所學(xué)的控制理論和算法，非常的直觀、簡便，在輕松的實(shí)驗(yàn)中對(duì)所學(xué)的課程加深了理解。本文主要是圍繞一級(jí)倒立擺系統(tǒng)，首先介紹了直線一階倒立擺的物理結(jié)構(gòu)，分析其受力情況，并在一定假設(shè)條件下，建立一階級(jí)倒立擺系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型，并對(duì)其進(jìn)行線性化，初步分析其運(yùn)動(dòng)特性。其次運(yùn)用極點(diǎn)配置理論設(shè)計(jì)極點(diǎn)配置算法與控制器；運(yùn)用線性二次型最優(yōu)控制原理結(jié)合合適的Q,R陣求解最優(yōu)控制矩陣并設(shè)計(jì)最優(yōu)控制（LQR）方案。然后根據(jù)已經(jīng)建立的系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型，運(yùn)用MATLAB的Simulink工具對(duì)極點(diǎn)配置控制方案和線性二次型最優(yōu)控制（LQR）方案進(jìn)行控制系統(tǒng)的仿真，得出仿真結(jié)果即各個(gè)輸出量的波形，同時(shí)可利用編寫的S函數(shù)仿真動(dòng)畫觀察仿真結(jié)果。目的是通過設(shè)計(jì)加深對(duì)所學(xué)自動(dòng)控制課程的理解，培養(yǎng)理論聯(lián)系實(shí)際的能力。為進(jìn)一步學(xué)習(xí)更高層次的控制理論奠定基礎(chǔ)。二、閱讀文獻(xiàn)資料進(jìn)行調(diào)研的綜述國外在60年代就開始了對(duì)一級(jí)倒立擺系統(tǒng)的研究，在60年代后期，作為一個(gè)典型的不穩(wěn)定、嚴(yán)重非線性例證提出了倒立擺的概念，并用其檢驗(yàn)控制方法對(duì)不穩(wěn)定、非線性和快速性系統(tǒng)的控制能力。1966年Schaefer和Cannon應(yīng)用Bang-Bang控制理論，將一個(gè)曲軸穩(wěn)定于倒置位置；S.Mori等人于1975年采用最優(yōu)控制和狀態(tài)重構(gòu)的方法完成對(duì)一級(jí)倒立擺的穩(wěn)定控制。國外對(duì)二級(jí)以上倒立擺的研究從70年代開始，1972年Sturgen等人采用線性控制模擬電路實(shí)現(xiàn)了二級(jí)倒立擺的控制，其線性狀態(tài)反饋采用極點(diǎn)配置的方法獲得，并采用全維狀態(tài)觀測器來重構(gòu)了狀態(tài)；1978年，K.furuta等人采用微機(jī)處理實(shí)現(xiàn)了二級(jí)倒立擺的控制，1980年他們又完成了二級(jí)擺在傾斜軌道上的穩(wěn)定控制；1983年，K.furuta等人又實(shí)現(xiàn)了雙電機(jī)三級(jí)倒立擺的穩(wěn)定控制。國內(nèi)從80年代開始對(duì)倒立擺進(jìn)行了研究，1982年，西安交通大學(xué)完成了二級(jí)倒立擺系統(tǒng)的研制和控制，采用了最優(yōu)控制和降維觀測器，以模擬電路實(shí)現(xiàn)；1983年，國防科技大學(xué)完成了一級(jí)倒立擺系統(tǒng)的研制和控制；1987年，上海機(jī)械學(xué)院完成了一、二級(jí)倒立擺系統(tǒng)的研制，并且完成了二級(jí)倒立擺在傾斜軌道上的控制。近年來，隨著智能控制方法的研究逐漸受到人們的重視，模糊控制、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、擬人智能控制、遺傳算法和專家系統(tǒng)等越來越多的智能控制算法應(yīng)用到倒立擺動(dòng)系統(tǒng)的控制上。ChariesW.Andorson在1988年應(yīng)用自學(xué)習(xí)模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)成功控制一級(jí)擺；周建波等用基于BP網(wǎng)絡(luò)的規(guī)則控制也解決了單擺的穩(wěn)定性控制問題；徐紅兵等提出了基于變結(jié)構(gòu)的模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制算法，實(shí)現(xiàn)了二級(jí)倒立擺系統(tǒng)的穩(wěn)定性控制；1995年，張明廉等人應(yīng)用擬人智能控制理論成功的解決了三級(jí)倒立擺這一控制界的世界性難題；2001年9月19日，北京師范大學(xué)李洪興教授領(lǐng)導(dǎo)的復(fù)雜系統(tǒng)實(shí)時(shí)智能控制實(shí)驗(yàn)室采用變論域自適應(yīng)模糊控制成功地實(shí)現(xiàn)了三級(jí)倒立擺實(shí)物系統(tǒng)控制，又于2002年8月11日在國際上首次成功實(shí)現(xiàn)了四級(jí)倒立擺實(shí)物控制系統(tǒng)，這是一項(xiàng)原創(chuàng)性的具有世界領(lǐng)先水平的標(biāo)志性科研成果。最近幾年，日本國內(nèi)的研究機(jī)構(gòu)對(duì)倒立擺系統(tǒng)的相關(guān)研究也比較多。其中，Mycom有限公司和東京工業(yè)大學(xué)、東京電機(jī)大學(xué)合作，利用謀劃控制器，實(shí)現(xiàn)對(duì)倒立擺系統(tǒng)的起擺和穩(wěn)定控制。日本慶應(yīng)大學(xué)將對(duì)倒立擺起擺和穩(wěn)定控制的研究成果應(yīng)用到雙足機(jī)器人的控制上，神奈川技術(shù)學(xué)院將擺的研究成果應(yīng)用與輪椅性能的改善。而韓國忠南大學(xué)和臺(tái)灣國立大學(xué)都曾經(jīng)用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)對(duì)倒立擺系統(tǒng)的穩(wěn)定控制。美國、波蘭、加拿大、意大利也有研究機(jī)構(gòu)對(duì)這類問題進(jìn)行研究，只是不像亞洲地區(qū)如此集中。2.1倒立擺系統(tǒng)在有限長的軌道L上作直線運(yùn)動(dòng)的小車；與小車鉸接在一起，并能在包含L的平面內(nèi)繞口點(diǎn)轉(zhuǎn)動(dòng)的擺；3?驅(qū)動(dòng)小車的直流力矩電機(jī)和轉(zhuǎn)輪、鋼絲等傳動(dòng)部分；4?使擺穩(wěn)定在垂直向上的平衡位置，且使小車穩(wěn)定在軌道中心位置附近的控制器一級(jí)倒立擺的結(jié)構(gòu)簡圖如圖1所示:功軍放大圖1:一級(jí)倒立擺的結(jié)構(gòu)簡圖力矩電機(jī)功軍放大圖1:一級(jí)倒立擺的結(jié)構(gòu)簡圖力矩電機(jī)LQR控制倒立擺系統(tǒng)是非線性、強(qiáng)藕合、多變量和自然不穩(wěn)定的系統(tǒng)。線性二次型最優(yōu)控制LinearQuadraticRegulator一LQR問題在現(xiàn)代控制理論中占有非常重要的位置。由于線性二次型(LQ)性能指標(biāo)易于分析、處理和計(jì)算而且通過線性二次型最優(yōu)設(shè)計(jì)方法得到的控制系統(tǒng)具有較好的魯棒性與動(dòng)態(tài)特性等優(yōu)點(diǎn)線性二次型在控制界得到普遍重視。MATLAB仿真MATLAB是美國MathWork軟件公司于1984年推出的一種用于科學(xué)計(jì)算的高性能語言。它集數(shù)值計(jì)算、圖形圖像顯示以及編程于一體是常用的控制系統(tǒng)分析與設(shè)計(jì)工具。1990年MathWorks軟件公司為MATLAB提供了新的控制系統(tǒng)圖形化模型輸入與仿真工具Simulink它是MATLAB的一個(gè)擴(kuò)展軟件模塊。該模塊提供了一個(gè)建模、分析與仿真等多種物理與數(shù)學(xué)問題的軟件環(huán)境并為圖形用戶界面提供了動(dòng)態(tài)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)方塊圖模型從而使用戶可以既快又方便地對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行建模、仿真而不必寫任何代碼程序。因此該工具很快就在控制工程界獲得了廣泛的認(rèn)可并使仿真軟件進(jìn)入了系統(tǒng)模型的圖形組態(tài)階段。三?執(zhí)行方案3.1課題解決實(shí)施方案：掌握倒立擺系統(tǒng)的組成和控制原理，建立一階級(jí)倒立擺系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型。確定系統(tǒng)各項(xiàng)參數(shù)得到仿真模型。運(yùn)用極點(diǎn)配置理論設(shè)計(jì)極點(diǎn)配置算法與控制器。運(yùn)用線性二次型最優(yōu)控制原理求解最優(yōu)控制矩陣并設(shè)計(jì)最優(yōu)控制(LQR)方案。⑸運(yùn)用MATLAB的Simulink工具對(duì)極點(diǎn)配置控制方案和線性二次型最優(yōu)控制(LQR)方案進(jìn)行控制系統(tǒng)的仿真。比較兩種控制方法的優(yōu)缺點(diǎn)，得出結(jié)論。3.2工作進(jìn)度安排：第01-02周：了解本課題設(shè)計(jì)要求，針對(duì)倒立擺系統(tǒng)學(xué)習(xí)相關(guān)知識(shí)；第02-05周：完成開題報(bào)告以及相關(guān)知識(shí)點(diǎn)的掌握；掌握倒立擺系統(tǒng)仿真的整體思路；收集整理matlab仿真所需的資料；第06-08周：掌握倒立擺常用控制方法和設(shè)計(jì)過程，計(jì)算參數(shù)，制作一級(jí)倒立擺系統(tǒng)；第09-12周：完成極點(diǎn)配置和線性最優(yōu)二次型控制器設(shè)計(jì)；在matlab中完成仿真；第13-14周：完成學(xué)生完善控制效果，分析輸出結(jié)果，得出仿真結(jié)論；第15-17周：編寫畢業(yè)設(shè)計(jì)論文和準(zhǔn)備畢業(yè)答辯。參考文獻(xiàn)：王宏華.現(xiàn)代控制理論.北京：電子工業(yè)出版社，2006謝克明.自動(dòng)控制原理.北京：電子工業(yè)出版社，2004胡壽松.自動(dòng)控制原理(第4版).北京：科學(xué)出版社，2001于子淞.單級(jí)倒立擺建模及其控制方法設(shè)計(jì).電腦知識(shí)與技術(shù)，2008,(4),(8)CHENWJ,FANGL,LEIKK.FuzzyLogicControllerforanInvertedPendulumSystem[C].IEEEInternationalConferenceonIntelligentProcessing