| 【中文题名】 | 二级倒立摆系统的稳定控制研究 |
| 【英文题名】 | Research on the Stability Control System of the Double Inverted Pendulum |
| 【学科专业】 | 兵器发射理论与技术 |
| 【论文级别】 | 硕士论文 |
| 【投稿时间】 | 2007-5-23 |
| 【中关键词】 | 二级倒立摆,极点配置,最优控制,变结构控制,模糊控制,实验 |
| 【英关键词】 | Inverted pendulum,pole-placement method,optimal control,variable structure controller,fuzzy controller,experimentation, |
| 【分类导航】 | 工业技术>自动化技术、计算机技术>自动化基础理论>自动控制理论>> |
| 【论文摘要】 | 倒立摆系统是一个典型的多变量、非线性、强耦合和快速运动的高阶不稳定系统，它是检验各种新的控制理论和方法有效性的典型理想模型。在其控制过程中，能有效地反映诸如镇定性、鲁棒性、随动性以及跟踪等许多关键问题。近年来，许多学者已经应用各种各样的控制方法对倒立摆系统进行广泛地研究，尽管国内外对倒立摆的研究已有显著成果，但作者对倒立摆的研究才刚刚起步，需要在学习和总结已有经验的基础上，研究倒立摆的控制，以提高控制理论的水平。
本文以二级倒立摆模型为控制对象，首先在阐述了倒立摆系统控制的研究发展过程和现状之后，介绍了倒立摆系统的结构和数学模型，并详细推导了二级倒立摆的数学模型。
其次，本文主要研究倒立摆系统的现代以及智能控制方法，用极点配置、LQR最优控制、滑模变结构和模糊控制设计了控制器，通过MATLAB及SIMULINK仿真，分析指出各种方法之间的优缺点，结果表明：智能控制策略不仅能满足非线性系统的控制要求，而且能明显改善控制指标，整个系统具有更好的动态特性。
最后完成了一、二级倒立摆系统控制程序的设计和调试，实验取得较好的效果，并对实验结果进行了分析。
结论部分... |
| 【论文题纲】 |
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摘要 |
4-5 |
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ABSTRACT |
5-6 |
|
目录 |
6-8 |
|
第一章 绪论 |
8-12 |
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1.1 控制理论的发展 |
8 |
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1.2 倒立摆系统简介及其研究意义 |
8-10 |
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1.3 倒立摆研究的发展现状及其主要控制方法 |
10-11 |
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1.4 本文工作 |
11-12 |
|
第二章 倒立摆系统模型的建立与初步分析 |
12-26 |
|
2.1 倒立摆系统的物理结构及特性分析 |
12-13 |
|
2.2 二级倒立摆系统数学模型的建立 |
13-21 |
|
2.2.1 基于牛顿力学的建模 |
15-16 |
|
2.2.2 基于拉格朗日方程的建模 |
16-19 |
|
2.2.3 二级倒立摆系统数学模型的线性化 |
19-21 |
|
2.3 系统参数的测定 |
21-24 |
|
2.4 倒立摆系统的初步运动分析 |
24-25 |
|
2.5 小结 |
25-26 |
|
第三章 基于现代控制理论的控制方案设计与仿真 |
26-55 |
|
3.1 极点配置控制方案的设计与仿真 |
26-29 |
|
3.1.1 极点配置理论 |
26-27 |
|
3.1.2 极点配置算法 |
27-28 |
|
3.1.3 系统仿真分析 |
28-29 |
|
3.2 线性二次型最优控制(LQR)方案的设计与仿真 |
29-32 |
|
3.2.1 线性二次型最优控制原理 |
29-30 |
|
3.2.2 Q、R阵的选择 |
30-31 |
|
3.2.3 系统仿真分析 |
31-32 |
|
3.3 变结构控制方案的设计与仿真 |
32-46 |
|
3.3.1 变结构控制系统的基本概念 |
32-34 |
|
3.3.2 变结构控制系统的性质 |
34-36 |
|
3.3.3 变结构控制系统的设计 |
36-42 |
|
3.3.4 二级倒立摆系统的变结构控制方案设计与仿真 |
42-46 |
|
3.4 状态观测器的设计 |
46-53 |
|
3.4.1 降维状态观测器的状态反馈控制 |
47-50 |
|
3.4.2 全维状态观测器的变结构控制 |
50-53 |
|
3.5 小结 |
53-55 |
|
第四章 模糊控制方案的设计与仿真 |
55-74 |
|
4.1 模糊理论的基本知识 |
55-60 |
|
4.1.1 模糊控制概述 |
55-56 |
|
4.1.2 模糊集合 |
56-59 |
|
4.1.4 反模糊化 |
59-60 |
|
4.2 模糊控制系统设计 |
60-64 |
|
4.2.1 模糊控制系统的组成及原理 |
60-61 |
|
4.2.2 模糊控制器设计的基本方法 |
61-64 |
|
4.3 二级倒立摆模糊控制器的设计与仿真 |
64-71 |
|
4.3.1 二级倒立摆的状态变量合成模糊控制 |
65-68 |
|
4.3.2 二级倒立摆的并联模糊控制 |
68-69 |
|
4.3.3 量化因子比例因子对模糊控制器性能的影响 |
69-71 |
|
4.4 二级倒立摆模糊变结构控制器的设计与仿真 |
71-73 |
|
4.5 小结 |
73-74 |
|
第五章 倒立摆系统的实验与分析 |
74-89 |
|
5.1 实验系统简介 |
74-77 |
|
5.1.1 系统结构简介及工作原理 |
74-76 |
|
5.1.2 数据采集卡的介绍 |
76-77 |
|
5.2 实验步骤及结果 |
77-84 |
|
5.2.1 实验步骤 |
77-78 |
|
5.2.2 程序设计 |
78-79 |
|
5.2.3 一级倒立摆的控制 |
79-81 |
|
5.2.4 二级倒立摆的控制 |
81-84 |
|
5.3 实验中一些问题的分析 |
84-88 |
|
5.3.1 非线性因素的影响 |
85-86 |
|
5.3.2 倒立摆系统的干扰分析 |
86-87 |
|
5.3.3 对干扰的处理及调试经验 |
87-88 |
|
5.4 小结 |
88-89 |
|
结束语 |
89-91 |
|
作者在硕士期间发表的学术论文 |
91-92 |
|
参考文献 |
92-94 |
|
致谢 |
94-95 |
|
附录 |
95-98 |
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| 【DOI】 | LunWen.ID:2.2008.388504 |
