毕业设计（论文）-基于卡尔曼滤波的倒立摆控制系统噪声抑制

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1、基于卡尔曼滤波的倒立摆控制系统噪声抑制作者姓名：指导教师：单位名称：流程工业综合自动化国家重点实验室专业名称：自动化东北大学2007年6月TitlebySupervisor:NortheasternUniversityJune2007东北大学本科毕业设计（论文）毕业设计（论文）任务书毕业设计（论文）任务书毕业设计（论文）题目：基于卡尔曼滤波的倒立摆控制系统噪声抑制设计(论文)的基本内容：（1）了解倒立摆系统。（2）对倒立摆系统进行建模。（3）辨识倒立摆系统参数。（4）倒立摆平衡控制，包括将动力学模型线性化、仿

2、真、实验等。（5）学习卡尔曼滤波，并应用该方法实现倒立摆系统的噪声抑制。（6）总结研究成果，撰写毕业论文。毕业设计（论文）专题部分：题目：　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　设计或论文专题的基本内容：学生接受毕业设计（论文）题目日期　　　　　　　　　　　　　第　1　周指导教师签字：2012年　2月　27　日-V-东北大学本科毕业设计（论文）毕业设计（论文）任务书基于卡尔曼滤波的倒立摆控制系统噪声抑制摘要关键词：-V-东北大学本科毕业设计（论文）毕业设计（论文）任务书TitleAb

3、stractKeywords：-V-东北大学本科毕业设计（论文）毕业设计（论文）任务书目录毕业设计（论文）任务书I摘要IIAbstractIII目录IV第一章绪论11.1课题背景及研究的目的和意义11.2状态估计算法的研究概述3第二章二级倒立摆系统的数学模型62.1二级倒立摆系统实验软硬件条件62.2二级倒立摆系统的动力学模型72.2.1拉格朗日方程72.2.2二级倒立摆的模型72.3小结13第三章二级倒立摆系统参数辨识143.1能量法辨识方程建立153.2辨识实验173.2.1辨识程序实现173.2.2参数

4、辨识的物理实验19第四章二级倒立摆平衡点控制204.1基于LQR方法设计平衡控制器204.1.1控制理论介绍204.1.2控制器设计204.1.2.1下平衡控制器设计224.1.2.2上平衡控制器设计234.2仿真以实际实验效果234.2.1仿真实验效果234.2.2仿真曲线254.3实际实验效果264.3.1下平衡点平衡控制264.3.2上平衡点平衡控制28-V-东北大学本科毕业设计（论文）毕业设计（论文）任务书4.4小结29第五章Kalman滤波器设计305.1Kalman滤波器基本形式305.2Kalm

5、an滤波器设计315.3Kalman滤波器仿真实验与分析325.4小结35第六章结论与展望36参考文献37致谢38第一章-V-东北大学本科毕业设计（论文）毕业设计（论文）任务书第一章绪论1.1课题背景及研究的目的和意义在控制理论发展的过程中，某一理论的正确性及实际应用中的可行性需要一个按此理论设计的控制器去控制一个典型对象来验证，倒立摆系统就是控制领域中的典型对象之一。倒立摆系统作为一个典型的单输入多输出、非线性、强祸合、自然不稳定的系统，从理论上将涉及系统控制中的很多关键问题:如非线性问题、鲁棒性问题、镇定

6、问题、随动问题以及跟踪问题等，而且结构简单、构件组成参数和形状易于改变、成本低廉，其控制效果可以通过其稳定性直观地体现。因此，作为一个多用途的综合性实验装置，倒立摆系统成为控制领域中不可或缺的研究设备和验证控制策略有效性的实验平台早在二十世纪50年代，麻省理工大学电机工程系的控制论专家根据火箭发射助推器原理设计出了单级倒立摆系统的模型。在70年代，人们对倒立摆实物系统进行了实际研制[1,2]。后来在此基础上，人们又不断进行拓展，产生了许多新的倒立摆结构。对于现阶段被重点研究并制作出实物平台的倒立摆，大体可以分

7、为直线倒立摆与平面倒立摆两类。其中直线倒立摆包括二级倒立摆、多级倒立摆、环形倒立摆、球车系统、简易倒立摆等，平面倒立摆主要包括XY平台平面倒立摆和两自由度旋转机械臂平面倒立摆两种类型。(a)火箭助推器(b)两足步行机器人图1.1倒立摆原理的典型应用-38-东北大学本科毕业设计（论文）毕业设计（论文）任务书倒立摆的研究具有重要的工程背景，其控制方法在军工、航天、机器人和一般工业过程领域中都有着广泛的用途，如两轮电动车的平衡控制、机器人行走过程中的平衡控制、火箭发射中的垂直度控制和卫星飞行中的姿态控制等均涉及到倒

8、置问题。因此对倒立摆控制机理的研究具有重要的理论和实践意义。对于倒立摆系统，位移及摆角信号在传输过程中不可避免的会引入噪声干扰，有时噪声干扰甚至会严重影响对系统的稳定控制，对于模拟信号尤甚。信号噪声干扰是工程领域和人们生活中的一大公害。最常见的噪声干扰比如:收音机远离发射台时发出的杂音，电视屏幕上的雪花点，或是引起模/数转换器转换错误的信号等等。图1.2电视雪花希望抑制信号中的噪声，就需要使用滤波器