环形倒立摆模型分析及控制策略研究

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1、硕士学位论文（学术学位）环形倒立摆模型分析及控制策略研究RESEARCHONMATHEMATICALMODELANDCONTROLSTRATEGYFORROTARYINVERTEDPENDULUM邢宇2016年3月中图分类号：TP273学校代码：10188UDC：621.3密级：公开环形倒立摆模型分析及控制策略研究硕士研究生：邢宇导师：孙灵芳教授学位类别：工学硕士学科专业：控制科学与工程所在单位：自动化工程学院答辩日期：2016年3月授予学位单位：东北电力大学ClassifiedIndex:TP273U.D.C:621.3RESEARCHONMATHEMATICALM

2、ODELANDCONTROLSTRATEGYFORROTARYINVERTEDPENDULUMCandidate：XingYuSupervisor：Prof.SunLingfangAcademicDegreeAppliedfor：MasterofEngineeringSpeciality：ControlScienceandEngineeringAffiliation：SchoolofAutomationEngineeringDateofDefence：Mar.2016Degree-Conferring-Institution：NortheastDianliUniver

3、sity摘要倒立摆系统是一个典型的非线性、强耦合、高阶次、不确定和快速运动的自然不稳定系统，其控制目标是实现倒立摆各摆杆之间的稳定平衡，并且在不确定扰动下倒立摆系统能够快速的恢复稳定平衡状态。它是研究和验证各种控制策略的一种非常典型的实验平台，因而对它的研究具有重要的工程背景和实际意义。因此，本文对环形一级、二级倒立摆控制系进行的设计，同时进行了环形一级、二级倒立摆的控制试验。主要完成以下工作：首先，分析环形一级、二级倒立摆系统模型，利用Lagrange方法建立系统的数学模型，并对系统的能控性、能观性和相对能控性进行分析，验证系统的自然不稳定性。其次，主要围绕环形一级

4、、二级倒立摆系统，进行了LQR控制方法的研究。在MATLAB环境中进行仿真实验，完成了对模型的稳定控制，得到了良好的控制效果。此外，利用遗传算法对LQR中参数寻优，得到最优控制参数。在此基础上，搭建环形一级、二级倒立摆实时控制模块，在实物上进行验证，证明算法的正确性及可实现性。最后，本文使用超螺旋滑模控制方法对环形一级倒立摆进行仿真实验，选择滑模面并设计滑模面参数，同时对控制器进行改进，实现了模型的稳定控制。此外，利用遗传算法对参数进行寻优，得到最优仿真的参数，可以有效地减小滑模控制中产生的抖震及其他问题。在此基础上，搭建基于滑模控制算法的实时控制模块，实现在环形一级

5、倒立摆实物的控制。关键词：环形倒立摆；LQR控制；滑模控制；超螺旋控制；抖振IAbstractInvertedpendulumsystemisatypicalnonlinear,higherorder,uncertainandfast-movingnatureunstablesystem,controlgoalistoachieveastableequilibrium,andtheinvertedpendulumsysteminanuncertaindisturbancescanquicklyrestorestableequilibriumstate.Inverted

6、pendulumasatestplatformtovalidatethecorrectnessandfeasibilityofapracticalapplicationofcontroltheory,alsotocomparethemeritsofthealgorithmsthroughexperimentalresults,whichhasgreatsignificanceforthestudyofcontroltheory.Therefore,thispaperstudyonrotaryinvertedpendulumcontrolsystemdesignands

7、imulationundertheexperimentalenvironmental,alsohavecontrolexperimentsforrotaryinvertedpendulum.Themainworksinthispaperarethefollowing:Firstly,thepaperanalysisthecharacteristicsoftherotaryinvertedpendulumsystem,andsetupthemathematicalmodelbyusingLagrangeequation.Thestability,con