直线一级倒立摆的起摆及稳摆的智能控制

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1、山东大学硕士学位论文摘要对于倒立摆系统的控制研究长期以来被认为是控制理论及其应用领域里引起人们极大兴趣的问题。倒立摆系统是一个典型的快速、多变量、非线性、不稳定系统。研究倒立摆控制能有效地反映控制中的许多问题。倒立摆研究具有重要的理论价值和应用价值。理论上，它是检验各种新的控制理论和方法的有效实验装置。应用上，倒立摆广泛应用于控制理论研究、航空航天控制、机器人、杂技顶杆表演等领域，在自动化领域中具有重要的价值。另外，由于此装置成本低廉，结构简单，便于用模拟、数字等不同方式控制，在控制理论教学和科研中也有很多应用。本论文中，以一级倒立摆为研究对象，对它的起摆以及稳定控制做了研究。主

2、要研究工作如下：1．首先介绍了倒立摆系统的组成和控制原理，建立了一级倒立摆的数学模型，对倒立摆系统进行定性分析，证明倒立摆开环不稳定的，但在平衡点是能控的、能观的。2．分析了倒立摆的起摆过程，对倒立摆的起摆能量反馈控制进行分析与说明。3．设计了PID控制器和线性二次型(LQR)最优控制器，对系统进行仿真对比研究，对不同的输入响应以及不同的初始条件下的响应进行对比仿真，实验表明PID控制器作为反馈传递函数，结构简单，但控制的效果稍差一些，LQR最优控制是一种较成熟的现代控制理论方法，其控制效果较好，可以用在实时性要求较高的场合。但被控系统的复杂性、非线性的增加控制性能会降低，由此，

3、我们需要研究更有效的控制方法。4．倒立摆模糊控制算法研究，起摆的模糊控制，稳摆运用最优控制方法设计了融合函数，减少了模糊控制器的输入变量维数，成功解决了“规则爆炸"的问题。在此基础上，根据以调节摆杆角度为主，然后在进行小车位置控制的原则，设计了模糊PID控制器，实现对摆杆角度的控制。以调节摆杆角度为主，然后进行小车控制，小车位移用一个二维的模糊控制器控制，同样可以避免规则爆炸。5．对设计的模糊控制器利用MATLAB进行仿真实验，调整参数，得到的仿山东大学硕士学位论文真结果表明，控制方案具有良好的控制效果。6．最后在SimulinkReal—TimeWorkshop环境下实现了实时

4、控制。给出了一级倒立摆起摆和稳定时各状态变量的响应曲线和控制量曲线，实时控制结果表明单级直线倒立摆系统的起摆(能量反馈)与稳定(切换到LQR)控制具有良好的控制效果和抗扰动性。关键词：倒立摆；起摆；能量控制；模糊控制；模糊PID控制U山东大学硕士学位论文AbstractThecontrolofinvertedpendulumsystemhasbeenlongconsideredasallintriguingproblemincontroltheoryandapplication．Invertedpendulumsystemisatypicalquick,multivariable

5、，nonlinearandunstablesystem．Soitisaclassicsystemthat啪reflectmanyproblemswhichexistincontrolrealm．Invertedpendulumisaveryimportantplant．Intheory,Itiswellknownasatestbedfornewcontroltheoryandtechniques．AndinapplicationmanyequipmentssuchaSaviation,robotscan'tdowithoutit．Theinvertedpendulumplanti

6、sincommonuseincontroltheoryteachingandresearchasitisalsoSOcheapandeaSytoget．Soitisamusedandvaluableforaseniorstudenttodoresearchonthissubject．Inthispaper,singleinvertedpendulumisinvestigated，andweplaceemphasisonthecontrolofswing-upandstabilityofthesingleinvertedpendulum．Mainresearchworkisdecl

7、aredbelow：1．First,thecomposingandworkingprincipleoftheinvertedpendulumisintroducedanditsmathematicmodelisbuilt．Itisprovedthatitsopencontrolsystemisinstability,butitiscontrollableandobservableonequilibriumpoint．2．Theprocessofswing-upoftheinver