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倒立摆开题报告.doc

发布时间：2022-06-24 发布人：admin 分类：说明书 资料大小：0.05M 资料格式：doc 举报 版权申诉
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    燕 山 大 学 本科毕业设计（论文）开题报告 课题名称: 倒立摆控制系统设计 学院（系）： 电气工程学院 年级专业： 10 级工业自动化 3 班 学生姓名： 指导教师： 完成日期： 赵亚梅 臧怀泉 2014.03.26
    一、综述本课题国内外研究动态，说明选题的依据和意义 近年来随着智慧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算法应用到倒 立摆系统的控制上。1997年，T.H.Hung等设计了类PI模糊控制器应用于一级 倒立摆控制，具有系统结构简单对硬件依赖小的特点。1995年，Li利用两个 并行的模糊滑膜来分别控制小车和摆杆偏角。1996年张乃尧等采用模糊双死 循环控制方案成功地稳住了一级倒立摆。1997年，Gordillo比较了LQR方法 和基于遗传算法的控制方法，结论是传统控制方法比遗传算法控制效果更 好。1994年，北京航空航天大学张明廉教授将人工智能与自动控制理论相结 合，提出“拟人智慧控制理论”。实现了用单电机控制三级倒立摆实物。北京 师范大学李洪兴教授采用变论域自我调整模糊控制理论研究四级倒立摆控 制问题，成功实现了四级倒立摆实物系统控制[1-3]。 传统的实验教学是理论教学的附属手段，实验内容是理论知识的验证， 实验方法是学生按照实验指导书上规定的步骤完成实验，整个实验过程中学 生完全是消极被动的，很多时候学生对实验内容、方法不感兴趣。显然这种 实验教学难以实现学生实践能力和综合素质的培养。培养学生的实践动手能 力和创新意识更需要在实验环节和内容上进行改革与创新。因此，进行开放 性、设计性的综合实验具有重要的现实意义:是研究性创新学习的必然方式; 可以有效培养学生的实际动手能力和创新能力;可以提高学生的专业学习兴 趣，进一步明确学习目的; 有利十培养学生的多种能力和综合素质。基十此， 开发开放性、设计性的综合实验平台显得尤为重要[4-7]。 二、研究的基本内容，拟解决的主要问题 研究的基本内容： 在深入了解倒立摆的基础上，熟悉单级倒立摆控制的基本原理，了解单 级倒立摆控制的发展趋势，熟悉线性系统的基本理论和非线性系统线性化的 基本方法，在此基础上确定实施的控制方法，建立单级倒立摆的数学模型， 并编写MATLAB程序，完成倒立摆的仿真实验。 拟解决的主要问题： 1.查阅相关资料，掌握倒立摆的特性、种类及控制机理。 2.建立数学模型，列出单级倒立摆模型的力学方程，传递函数以及状态空间 1
    方程。 3.确定行之有效的单级倒立摆控制器。 4.运用MATLAB软件进行仿真并进行实物验证。 三、研究步骤、方法及措施 首先通过上网和图书馆查阅相关资料，理解倒立摆系统研究的科学意义 和应用前景、倒立摆的机理及特性；然后学习数学建模的方法，将倒立摆的 数学模型建立起来；再根据所学自动控制理论的知识，给出系统 PID 控制算 法；最后深入学习 matlab 仿真技术对系统进行仿真，并且在老师指导下进行 实物验证[8-9]。 四、研究工作进度 已经解决的问题： 1、倒立摆系统的特性：非线性、不确定性、耦合性、开环不稳定性和约束 限制。 2、倒立摆控制系统的种类：按空间维数分，有直线倒立摆、旋转倒立摆、 平面倒立摆。按级数分有一级、二级、三级、四级倒立摆，等等。 3、倒立摆控制的机理：倒立摆系统的控制目标是使倒立摆这样一个不稳定 的被控对象，通过引入适当的控制方法使之成为一个稳定的系统，即使倒立 摆在不稳定的平衡点附近的运动成为一个稳定的运动。控制夹角和位置在各 自的位置零点附近变化，使摆杆处于竖直向上的平衡状态，要使摆杆静止直 立在平衡位置是不可能的，只能是在平衡位置处的振荡，即整个过程要求是 处于一个动态平衡。 4、倒立摆数学模型的初步分析 对于倒立摆系统，由于其本身是自不稳定的系统，实验建模存在一定的 困难。但是经过假设忽略掉一些次要的因素后，倒立摆系统就是一个典型的 运动的刚体系统，可以在惯性坐标系内应用经典力学理论建立系统的动力学 方程。采用牛顿—欧拉方法建立单轴倒立摆系统的数学模型[11-15]。 下一步的任务： 进一步了解并建立起倒立摆的数学模型，然后列出倒立摆的力学方程，传递 函数，然后确定行之有效的倒立摆控制器。 2
    五、参考文献 [1]胡寿松.自动控制原理.北京:科学出版社.2007 [2]王薇,任侠.基于精确线性化理论的倒立摆系统最优控制.合肥工业大学学 报.2009.4:12-45 [3]Hyun-taek Cho,Seul Jung.Neural networl position tracking control of an invert pendulm an X-Y table robot [C].IROS,2003:1210-1215 [4] 薛 安 客 , 王 俊 宏 . 倒 立 摆 控 制 仿 真 与 实 验 研 究 现 状 [J]. 杭 州 电 子 工 业 学 院 学 学 报.2002:5-34 [5]金传伟.基于遗传算法的PID参数优化与仿真[J].微计算机信息,2002:2-11 [6]王正林,郭阳宽.过程控制与Simulink应用[M].北京:电子工业出版社,2006:7-32 [7]黄忠霖.控制系统 MATLAB 计算及仿真[M].北京:国防工业出版社,2006:2-10 [8]黄永安,马路,刘慧敏.MATLAB7.0/Simulink6.0建模仿真开发与高级工程应用[M].北京: 清华大学出版社,2005:15-30 [9]毛敏.基于遗传算法的PID参数寻优问题的研究[D].北京:华北电力大学,2002:13-45 [10]蒋尉孙,俞金寿.过程与控制[M].北京:北京化学工业出版社,1992:2-10 [11] 王 介 生, 王 金 城, 王 伟. 基 于 粒 子 群 算 法 的 PID 控 制 器 参 数 自 整 定[J]. 控 制 与 决 策,2005:3-15 [12]徐征.基于遗传算法的PID控制器参数寻优方法的研究[D].武汉:武汉大学,2004:4-12 [13]AstromKJ,Wrttenmark,B.Information technology and information[J].Zhongnan university press.2006 [14]Wei Chen,Xia Ren,Wei Wang.Virtual Compensated Sliding Mode Control of Nonminimum Phase Nonlinear Systems with University (EI),IEEE ICAL 2008 Conference,2008.9:1643-1647 [15]Chunhing Fan,Lijun Zou,Yanhai Wang,Xia Ren.Digital Image Processing Techniques Applied in Cable Insulation Parameters Measurement (EI),IEEE ICAL 2008 Conference,2008.9:2315-2319 3
    六、指导教师意见 指导教师签字： 年 月 日 4
    七、系级教学单位审核意见 审查结果： □ 通过 □ 完善后通过 □ 未通过 负责人签字： 年 月 日 5
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