查看-2007-2008学年度上学期课程设计

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1、电气学科大类2007级《信号与控制综合实验》课程开题报告(设计性实验和自行命题项目)姓名王谱宇学号U200717845专业班号0715同组者1曹智慧学号U200712055专业班号0708同组者2邓娜学号U200712078专业班号0710同组者3周翩学号U200712183专业班号0710同组者4张小颖学号U200712210专业班号0710学院电气与电子工程学院11一、实验（项目）名称倒立摆系统的设计与研究二、实验（项目）内容简介I.目前调研情况综述1、什么是倒立摆（Invertedpendulum）倒立摆控制系统是一个不稳定的﹑非线性系统，是进行控制理论

2、教学及开展各种控制实验的理想实验平台。倒立摆的控制问题就是使摆杆尽快地达到一个平衡位置，并且使之没有大的振荡和过大的角度和速度。当摆杆到达期望的位置后，系统能克服随机扰动而保持稳定的位置。（摘自百度百科）图1-1一级倒立摆实物图11图1-2二级倒立摆实物图图1-3倒立摆模型图（来自百度图片）2、倒立摆的控制方法本系统中，基本阶段只需控制倒立摆杆的稳定性，因此输入量即为偏转角度（杆的偏转角度对应杆的重心位置），通过将杆与水平方向夹角的期望值设置为零，角度传感器将实际的角度值反馈给DSP，从而实现倒立摆的实时控制。直流电机通过传动系统带动小车在固定的轨道上运动，摆

3、杆的一端安装在小车上，能以此点为轴心使摆杆能在垂直的平面上自由地摆动。要实现摆杆的稳定，就要求小车能够很好地与摆杆的状态随动。具体物理过程将在建模以后得出结论。113、目前的研究状况在摆杆数量方面，已由一级，二级，三级，发展到目前最高的四级倒立摆（北京师范大学），多级摆的摆杆之间属于自有连接（即无电动机或其他驱动设备）。在摆杆的运动范围方面，已由一维（直线），二维（平面），发展到三维。目前，小型的倒立摆系统大多采用DSP实现对其的控制，而MATLAB等软件则用于倒立摆的建模仿真及控制参数的优化。在倒立摆系统的控制方法方面，由经典PID控制，向基于极点配置和LQ

4、R算法的现代控制，和基于模糊控制理论，神经网络等的智能控制方向发展。基于我们目前有限的理论知识，暂定采取PID控制方法来实现倒立摆系统，此外也会尽量了解其他的方法，并且比较二者的区别。4、倒立摆的功能与应用检测系统的稳定性：利用倒立摆系统模拟其他的系统（将目标系统的各个参数嵌入到倒立摆系统中），从而得到一个比理论计算与计算机仿真更接近实际的模拟方法。同理，倒立摆系统将也是一个比较通用化的观察器。通过对倒立摆的控制，用来检验新的控制方法是否有较强的处理非线性和不稳定性问题的能力。同时，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，如机器人行

5、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。（摘自百度百科）5、所需实验条件的调研要实现目标系统，在硬件方面需要小车，轨道，小型直流电机，摆杆，轴承，传感器，计算机，A/D转换器以及DSP等。软件方面主要是各种建模与仿真软件，以及控制开发板的编程软件，目前了解到的有：Matlab,Proteus,DSPBuilder等。控制模块主要由电机速度控制，信号的采取（传感器），反馈环节，以及主控制系统（实现大量数据的同步计算与处理）组成。6、可行性的调研目前已经有许多实现了的倒立摆控制系统的例子，可参考的实验经验比较充足。在软件方面，可以利用M

6、ATLAB和Proteus等进行仿真；在硬件方面，部分可以利用现有的实验室条件，其余的硬件可以购买到，或者在机械学院的同学的帮助下实现。（1）拟实现的目标，拟解决的问题及关键设计思路（技术路线）1．一级目标：设计和研究一级一维倒立摆角度控制系统。a.使摆杆在受到扰动后快速达到平衡稳定；11b.设计控制方法时，采用经典PID控制与智能控制中的模糊控制，并进行对比分析。2.二级目标：横向拓展。a.仍对一级一维倒立摆进行角度控制，但使之能够自动起摆；b.一级一维倒立摆的摆杆角度和小车位置双重控制。3.三级目标：纵向提升。一级二维，二级倒立摆的控制。希望所做出的成品模

7、型能够在学校实验室得到应用和开发。II.关键设计思路（技术路线）倒立摆是一个非线性的极不稳定系统，因此虽然其结构简单，但要实现其稳定控制，还是比较困难的，因此我们对本次实验的方案设计，规划如下：A、方框图初步建模分析方框图解说：整个倒立摆的控制有两个目标，第一个目标是摆杆相对小车角度θ的控制，其中θd是我们的理想角度，即θd=0°，这一部分对应于图上的序号①11所框住的方框图，这一部分将通过两个传感器实现信号的反馈（其中图上画的关于θ的传感有两条支路，实际上只要一个位置传感器就可以实现，这样分开画是为了清晰地体现出对于摆杆的角度θ和角速度两个量的采集，另外一个

8、是速度传感器，用于对电机转速的测量），