倒立摆建模、仿真与控制

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1、分类号：TP273密级：UDC：62学校代码：11065硕士学位论文倒立摆建模、仿真与控制王莹莹指导教师王冬青教授学科专业名称控制科学与工程论文答辩日期2016年5月25摘要倒立摆是一个具有高阶次、不稳定、多变量、非线性和强藕合特性的系统，在控制领域里，倒立摆系统的控制一直是人们讨论和研究的主要内容。许多控制理论方面的学者以倒立摆系统为被控对象，将最新研究的还未被证实的控制方法应用到系统中验证算法的有效性和可行性。本文以二级倒立摆模型为被控对象，主要研究内容如下：（1）对倒立摆系统的研究背景、研究意义、国内外研究现状和研究趋势等作了大体的概述，并结合文献资料简单地介绍了

2、倒立摆系统的多种控制算法。（2）详细分析了倒立摆系统的原理，通过对系统进行受力分解，采用机理建模法得到直线倒立摆系统的微分方程，并将其转化为状态方程。在Simulink环境中搭建出被控对象的仿真模块，同时介绍了模块的多种搭建方法。（3）因为控制理论经历了三个发展阶段：经典控制理论、现代控制理论和智能控制理论，所以本文对三个发展阶段中的经典控制方法稍加改进，进行对倒立摆系统的控制，控制算法分别为：PID控制算法、带观测器的状态反馈控制算法、线性二次型最优控制算法、基于Kalman滤波的LQR控制算法以及模糊控制算法，经过仿真后得出，模糊控制器与其他所设计的控制器相比，便于

3、设计，节省时间，能得到较好的输出。（4）在实物控制中，由于能力限制，只针对直线一级倒立摆进行制作，以飞思卡尔系列的K60为主控制芯片进行直线一级倒立摆的实时控制。关键词：倒立摆系统；建模；控制；仿真Abstract(1)Invertedpendulumisasystemofahighordertime,unstable,multivariable,nonlinearandstrongcouplingcharacteristic,inthecontrolfield,thecontrolofaninvertedpendulumsystemhasbeenthemaincont

4、entofdiscussionandresearch.manyscholarsspecializeinthetheoryofcontroltaketheinvertedpendulumsystemasthecontrolledobject,applyingnewcontrolstrategiesandcontrolmethodstothesystemtoverifythealgorithm'svalidityandfeasibility.Basedonthedoubleinvertedpendulummodel,themainresearchcontentsofthis

5、paperareasfollows:(2)Summarizetheinvertedpendulumsystem’sresearchbackground,researchsignificance,researchstatusandtheresearchtrend,andsoon,andmakingasimpleintroductiononavarietyofcontrolalgorithmforinvertedpendulumsystem.(3)Makingaprincipleanalysisandaforceanalysisforthedoubleinvertedpen

6、dulumsystem,usingLagrangemethodtoestablishthemathematicalmodeloflineardoubleinvertedpendulumsystem,buildingmathematicalmodelofthesystemintheSimulinkenvironment.(4)Becausethecontroltheoryhasexperiencedthreedevelopmentstages:theclassicalcontroltheory,moderncontroltheoryandintelligentcontro

7、ltheory,sothispaperimprovesthemethodsoftheclassicalcontroltocontroltheinvertedpendulumsystem.Controlalgorithmsare:PIDcontrolalgorithm,thestatefeedbackcontrolalgorithmbasedontheobserverlinearquadraticoptimalcontrolalgorithm,theLQRcontrolalgorithmbasedonKalmanfilteringandfu