直线二级倒立摆系统控制策略研究

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1、青岛理工大学毕业设计青岛理工大学毕业设计（论文）题目直线二级倒立摆控制策略研究学生姓名：韩百伟指导教师：林旭梅自动化工程学院电气工程及其自动化专业103班年月日青岛理工大学毕业设计摘要倒立摆是一个复杂的多变量强耦合不稳定非线性的系统，借助于这样一个系统可以有效的检测各种控制理论的好坏。本论文研究了倒立摆系统的建模方法，采用Lagrange方程对二级倒立摆系统进行建模。针对倒立摆的状态空间方程，采用MatLab软件对倒立摆的稳定性，能控性，能观性和可控度做了分析;采用最优控制理论对倒立摆系统进行稳摆控制并进行仿真，并利用该理论将倒立摆的数学模型加以改进，并对改进后的倒立。经过仿真分析确

2、认改进后的倒立摆系统控制效果得到了明显的改善。本文分别用PID和LQR控制设计了控制器，通过MATLAB仿真，验证了所设计的控制器的有效性、稳定性和抗干扰性。关键词:倒立摆,PID,LQR,MATLAB,仿真青岛理工大学毕业设计ABSTRACTInvertedpendulumisacomplexnonlinearmultivariablestrongcouplingsysteminstabilitybymeansofsuchasystemcaneffectivelydetectthequalityofvariouscontroltheory.Thispaperstudiesthein

3、vertedpendulumsystemmodelingmethodusingLagrangeequationfordoubleinvertedpendulumsystemmodeling.Forinvertedpendulumstatespaceequation,usingMatLabsoftwareinvertedpendulumstability,controllability,observabilityandcontrollabilitywereanalyzed;usingoptimalcontroltheorypendulumswingstabilitycontrolsys

4、temandsimulation,andusingthetheoreticalmathematicalmodeloftheinvertedpendulumwillbeimproved,andtheinvertedimproved.Thesimulationanalysisconfirmedtheimprovedinvertedpendulumcontroleffecthasbeensignificantlyimproved   Inthispaper,thedesignofthecontrollerwithPIDcontrolandLQRcontrol,throughMATLABsi

5、mulationtoverifythevalidityofthedesignedcontroller,stabilityandanti-jamming.KEYWORDS：Invertedpendulum,PID,LQR,MATLAB,SimulationI青岛理工大学毕业设计目录摘要IABSTRACTII第1章绪论11.1倒立摆系统的研究意义11.2倒立摆系统的研究现状11.2.1国外研究现状21.2.2国内研究现状21.3倒立摆系统的控制方法31.4本文的主要内容4第2章倒立摆系统简介52.1倒立摆分类52.2倒立摆的特性62.3直线二级倒立摆的结构和工作原理62.4本章小结7第3

6、章二级倒立摆系统模型的建立93.1倒立摆系统的物理结构及特性分析93.2直线二级倒立摆的数学模型93.2.1数学建模的方法93.2.2拉格朗日运动方程103.2.3推导建立数学模型113.3本章小结17第4章二级倒立摆系统控制策略的研究184.1稳定性分析184.2能控性能观性分析184.3本章小结20第5章倒立摆系统控制系统的设计与仿真215.1倒立摆PID控制方法设计215.2PID参数整定235.3PID控制算法的matlab仿真235.4二级倒立摆LQR控制设计及仿真265.4.1二级倒立摆控制系统框图265.4.2任选加权阵的LQR最优控制仿真27结论和展望30致谢31参考

7、文献32附录A33附录B35青岛理工大学毕业设计第1章绪论1.1倒立摆系统的研究意义倒立摆系统是一个多变量、非线性并且强耦合的自然不稳定系统，可以映射出控制领域诸如系统镇定、随动、跟踪以及鲁棒性许多关键特性。倒立摆系统广泛应用于检验新生控制理论或方法的正确性、实用性以及测试各种现有控制方法之间的性能优劣，同时该装置成本低廉、结构简单又便于实验室操作，受到了世界各国学者和专家的青睐，被广泛应用于研究非线性、变结构、智能控制以及目标定位等多种控制方法中，成为理