毕业设计（论文）-一级倒立摆的PID控制设计

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1、辽宁科技大学本科生毕业论文第29页一级倒立摆的PID控制设计摘要本文主要研究的是一级倒立摆的PID控制问题，并对其PID的参数进行了优化，优化算法是遗传算法。倒立摆是典型的快速、多变量、非线性、强耦合、自然不稳定系统。由于在实际中有很多这样的系统，因此对它的研究在理论上和方法论上均有深远的意义。本文首先简单的介绍了一下倒立摆以及倒立摆的控制方法，并对其参数优化算法做了分类介绍。然后，介绍了本文选用的优化参数的算法遗传算法的基本理论和操作方法。接着建立了一级倒立摆的数学模型，并求出其状态空间描述。本文着重讲述的是利用遗传算法来对PID的参数进行优化的实现方法。

2、最后，用Simulink对系统进行了仿真，得出遗传算法在实际控制中是一种较为理想的PID参数优化方法的结论。关键词：PID控制器；一级倒立摆；辽宁科技大学本科生毕业论文第29页辽宁科技大学本科生毕业论文第29页目录1引言11.1倒立摆介绍以及应用11.2倒立摆的控制方法21.3PID参数整定方法21.4本文的主要任务52PID简介72.2PID控制器的参数整定82.3PID控制的基本用途82.4PID控制的现实意义93遗传算法的基本理论和基于遗传算法的PID参数寻优113.1遗传算法的基本原理113.2遗传算法的操作方法123.2.1二进制编码123.2.2

3、适应度函数123.2.3遗传操作153.3遗传算法的应用关键183.4基于遗传算法的PID参数寻优183.4.1基于遗传算法的PID寻优的优点193.4.2基于遗传算法的PID寻优的方法194一级倒立摆的模型224.1一级倒立摆的物理模型224.2一级倒立摆的数学模型225直线一级倒立摆PID控制器系统的仿真研究265.1PID控制器的设计265.2一级倒立摆系统的Simulink模型及系统仿真265.2.1MATLAB及Simulink265.2.2一级倒立摆系统的Simulink的模型26辽宁科技大学本科生毕业论文第29页5.2.3仿真结果275.3小结

4、28结论30致谢31参考文献32附录33辽宁科技大学本科生毕业论文第29页1引言1.1倒立摆介绍以及应用倒立摆控制系统是一个复杂的、不稳定的、非线性系统，是进行控制理论教学及开展各种控制实验的理想实验平台。对倒立摆系统的研究能有效的反映控制中的许多典型问题：如非线性问题、鲁棒性问题、镇定问题、随动问题以及跟踪问题等。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。通过对它的研究不仅可以解决控制中的理论和技术实现问题，还能将控制理论涉及的主要基础学科：力学，数学和计算机科学进行有机的综合应用。其控制方法和思路无论对理论或实际

5、的过程控制都有很好的启迪，是检验各种控制理论和方法的有效的“试金石”。倒立摆的研究不仅有其深刻的理论意义，还有重要的工程背景。在多种控制理论与方法的研究与应用中，特别是在工程实践中，也存在一种可行性的实验问题，使其理论与方法得到有效检验，倒立摆就能为此提供一个从理论通往实践的桥梁，目前，对倒立摆的研究已经引起国内外学者的广泛关注，是控制领域研究的热门课题之一。倒立摆不仅仅是一种优秀的教学实验仪器，同时也是进行控制理论研究的理想实验平台。由于倒立摆系统本身具有的高阶次、不稳定、多变量、非线性和强耦合特性，许多现代控制理论的研究人员一直将它视为典型的研究对象，不

6、断从中发掘出新的控制策略和控制方法，相关的科研成果在航天科技和机器人学方面获得了广阔的应用。二十世纪九十年代以来，更加复杂多种形式的倒立摆系统成为控制理论研究领域的热点，每年在专业杂志上都有大量的优秀论文出现。因此，倒立摆系统在控制理论研究中是一种较为理想的实验装置。倒立摆主要应用在以下几个方面:(1)机器人的站立与行走类似于双倒立摆系统，尽管第一台机器人在美国问世至今已有三十年的历史，机器人的关键技术--机器人的行走控制至今仍未能很好解决。(2)在火箭等飞行器的飞行过程中，为了保持其正确的姿态，要不断进行实时控制。(3)通信卫星在预先计算好的轨道和确定的位

7、置上运行的同时，要保持其稳定的姿态，使卫星天线一直指向地球，使它的太阳能电池板一直指向太阳。(4)侦察卫星中摄像机的轻微抖动会对摄像的图像质量产生很大的影响，为了提高摄像的质量，必须能自动地保持伺服云台的稳定，消除震动。辽宁科技大学本科生毕业论文第29页(5)为防止单级火箭在拐弯时断裂而诞生的柔性火箭(多级火箭)，其飞行姿态的控制也可以用多级倒立摆系统进行研究。由于倒立摆系统与双足机器人、火箭飞行控制和各类伺服云台稳定有很大相似性，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。1.2倒立摆的控制方法倒立摆有多种控制方法[1]。对倒立摆这样的一个典型被控

8、对象进行研究，无论在理论上和方法上都具有重要意义。不