单轴倒立摆控制系统设计及Matlab仿真毕业论文.doc

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1、单轴倒立摆控制系统设计及Matlab仿真毕业论文目录中文摘要………………………………………………………………………………1英文摘要………………………………………………………………………………2第一章　绪论…………………………………………………………………………4　1.1　倒立摆系统研究的科学意义和应用前景…………………………………4　1.2　国内外倒立摆研究现状和发展趋势………………………………………4　1.3　倒立摆控制系统概述………………………………………………………5　　1.3.1倒立摆控制系统的种类……………………………………………………………61

2、.3.2倒立摆系统的控制机理……………………………………………………………6　1.3.3倒立摆系统的特性…………………………………………………………………6第二章　单轴倒立摆的数学模型与分析……………………………………………8　2.1　理论分析……………………………………………………………………82.2传递函数……………………………………………………………………102.3系统Matlab仿真和开环响应……………………………………………10第三章倒立摆系统控制算法的根轨迹法设计…………………………………12　3.1　设计要求……………………………………………

3、………………………123.2　理论分析……………………………………………………………………12第四章　倒立摆系统控制算法的频率响应法设计………………………………20　4.1　设计要求……………………………………………………………………20　4.2　理论分析……………………………………………………………………20第五章总结………………………………………………………………………致谢…………………………………………………………………………………28参考文献……………………………………………………………………………29附录：m文件源代码……………………………………

4、…………………………3034第一章前言倒立摆是处于倒置不稳定状态、通过人为控制使其处于动态平衡的一种摆，是一个复杂的快速、非线性、多变量、强耦合、自然不稳定系统，是重心在上、支点在下控制问题的抽象。倒立摆是机器人技术、控制理论、计算机控制等多个领域、多种技术的有机结合，其被控系统本身又是一个绝对不稳定、高阶次、多变量、强耦合的非线性系统，可以作为一个典型的控制对象对其进行研究。最初研究开始于二十世纪50年代，麻省理工学院（MIT）的控制论专家根据火箭发射助推器原理设计出一级倒立摆实验设备。近年来，新的控制方法不断出现，人们试图通过倒立摆这样一个典型的控制对

5、象，检验新的控制方法是否有较强的处理多变量、非线性和绝对不稳定系统的能力，从而从中找出最优秀的控制方法。倒立摆系统作为控制理论研究中的一种比较理想的实验手段，为自动控制理论的教学、实验和科研构建一个良好的实验平台，以用来检验某种控制理论或方法的典型方案，促进了控制系统新理论、新思想的发展。由于控制理论的广泛应用，由此系统研究产生的方法和技术将在半导体及精密仪器加工、机器人控制技术、人工智能、导弹拦截控制系统、航空对接控制技术、火箭发射中的垂直度控制、卫星飞行中的姿态控制和一般工业应用等方面具有广阔的利用开发前景。平面倒立摆可以比较真实的模拟火箭的飞行控制和

6、步行机器人的稳定控制等方面的研究。1.1倒立摆控制系统的种类目前，倒立摆控制系统已经由原来的直线倒立摆系统扩展为很多种类，典型的有直线倒立摆，环形倒立摆，平面倒立摆等。倒立摆系统由运动模块和安装其上的倒立摆装置组成，由于在不同的运动模块上可以装载不同的倒立摆装置，倒立摆的种类由此而丰富很多。按级数分，有一级、二级、三级、四级倒立摆;按所处位置分，可以是水平的，也可以是倾斜的;按空间维数分，有直线倒立摆、旋转倒立摆、平面倒立摆;按电机的数目可分为单电机倒立摆、多电机倒立摆。341.1.1倒立摆系统的控制机理倒立摆系统的控制目标是使倒立摆这样一个不稳定的被控对

7、象，通过引入适当的控制方法使之成为一个稳定的系统，即使倒立摆在不稳定的平衡点附近的运动成为一个稳定的运动。控制夹角和位置在各自的位置零点附近变化，使摆杆处于竖直向上的平衡状态，要使摆杆静止直立在平衡位置是不可能的，只能是在平衡位置处的振荡，即整个过程要求是处于一个动态平衡。1.1.2倒立摆系统的特性虽然倒立摆的形式和结构各异，但所有的倒立摆都具有以下的特性:(1)非线性倒立摆是一个典型的非线性复杂系统。实际中可以通过线性化得到系统的近似模型，然后对线性化后的系统进行控制，也可以不采用线性化处理，利用非线性控制理论直接对其进行控制，倒立摆的非线性控制正成为一

8、个研究的热点。(2)不确定性造成不确定性的因素主要是指模型误差、机