【毕业设计】一阶倒立摆最优控制器的设计

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1、本科毕业设计说明书（题目：一阶倒立摆最优控制器的设计学生姓名：xx学院：xx系别：xx专业：xx班级：xx指导教师：xx二○○七年六月2231摘要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能引起人们极大兴趣的问题。它是检验各种新的控制理论和方法的有效性的著名实验装置。作为一个高阶、非线性不稳定系统，倒立摆的稳定控制相当困难，对该领域的学者来说是一个极具挑战性的难题。首先，本文阐述倒立摆系统控制的研究发展过程，介绍了倒立摆系统的结构，并详细推导了一级倒立摆的数学模型，为更高层次的控制规律的研究提供了一个途径。其次，研究倒立摆系统的各种控制方法

2、。其中包括有经典控制理论中的PID控制方法和最优控制理论中的极点配置法、LQR法。在MATLAB/SIMULINK的环境下，作了大量的系统仿真研究工作，比较了各种控制方法。最后，发现经过最优控制方法校正后的系统的性能优于经典控制方法校正后的系统的性能，而且最优控制较易实现。关键词：倒立摆系统；经典控制理论；最优控制理论；系统仿真31AbstractThecontrolofinvertedpendulumsystemhaslongbeenconsideredanintriguingproblemforcontroltheoryanditsapplicatio

3、ns.Itiswellknownasatestbedfornewcontroltheoryandtechniques.Asahighlynonlinearandunstablesystem,thestabilizationcontrolofinvertedpendulumsystemisaprimarychallengeforresearchersinthisfieldbecauseofthedifficultyoftheproblem.Firstly,afterintroducingthedevelopmentandcurrentsituationofi

4、nvertedpendulumsystemresearch,themechanismofinvertedpendulumarepresented.Mathematicalmodelofthehigheronelevelinvertedpendulumisparticularlyeducedinthischapter.Secondly,thethesisdiscussesmainlythecontrolmethodsofinvertedpendulumsystembasedonthePIDofclassiccontroltheories,thePolearr

5、angementandtheLQRofmoderncontroltheories.AndmanysystemsimulationresearchesonthestabilityofinvertedpendulumhavebeendoneintheenvironmentofMATLAB/SIMLTLINK.Finally,wewillfindthattheperformanceofsystemwhichwasadjustedbyoptimalcontroltheoryisbetterthantheperformanceofsystemwhichwasadju

6、stedbyclassiccontroltheory,andtheoptimalcontroliseasiersuccessthanclassiccontrol.Keywords:Invertedpendulumsystem;Classiccontroltheory;Optimalcontroltheory;Systemsimulation31目录引言1第一章绪论21.1问题的提出及研究意义21.1.1问题的提出21.1.2研究意义21.2本论文主要研究的内容2第二章单级倒立摆数学模型42.1单级倒立摆数学模型的结构42.2系统的数学模型推导52.2.1不

7、考虑摩擦时的传递函数及状态方程52.2.2考虑摩擦时的传递函数及状态方程8第三章单级倒立摆PID控制器设计与仿真113.1理论分析113.2PID控制器的设计与仿真12第四章现代控制理论在控制倒立摆系统中的应用204.1状态空间极点配置法204.1.1理论分析204.1.2状态空间极点配置法的设计及仿真204.2基于LQR的倒立摆最优控制系统研究244.2.1理论分析244.2.2LQR控制器的设计与仿真24结论24参考文献24谢辞2431引言杂技顶杆表演之所以为人们熟悉，不仅是其技艺的精湛，更重要的是其物理与控制系统的稳定性密切相关。它深刻提示了自然界一

8、种基本规律，即一个自然不稳定的被控对象，通过控制手段可使之具有良好