文献综述--直线一阶倒立摆的稳定控制研究

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1、毕业设计开题报告学生姓名:学号:学院、系:信息与通信工程学院电气工程系专业:自动化设计题目:直线一阶倒立摆的稳定控制研究---根轨迹和状态空间极点配置方法指导教师:2012年3月5日毕业设计开题报告1.结合毕业设计情况,根据所查阅的文献资料,撰写2000字左右的文献综述:文献综述一、本课题的研究背景与意义:倒立摆是一个典型的非线性、快速、多变量和自然不稳定系统,也是一个绝对不稳定的系统,其控制方法和思路对处理一般工业过程具有普遍的指导意义。随着智能控制的发展,新的控制方法不断出现,人们试图通过倒立摆

2、这样一个严格的控制对象,检验新的控制方法的有效性。因此,倒立摆系统作为控制领域具有代表性的和复杂性的研究对象,对它理论上和方法上的研究具有深远的理论价值和重要的工程背景和实际意义[1]。现在对于倒立摆的研究不仅要追求增加摆的级数,而且更重要的是如何发展现有的控制方法,因而倒立摆被誉为“控制领域中的一颗明珠”。在对倒立摆的控制研究方法中线性二次型最优控(Linear Quadratic Regulator—LQR)法在现代控制理论中占有非常重要的位置[2]。由于线性二次型(LQR)性能指标易于分析、处

3、理和计算,而且通过线性二次型最优设计方法得到的控制系统具有较好的动态特性等优点,线性二次型在控制界得到普遍重视[3]。运用LQR对倒立摆进行最优控制系统,并从实时控制效果出发[4]。同时,它和火箭的姿态以及控制步行机器人的稳定控制有很多相似之处,因此控制界对它的研究兴趣一直不减,另外,由于此装置成本低廉,结构简单,便于用模拟、数字等不同方式控制,在控制理论教学和科研中也有很多应用。人们已经提出了许多倒摆控制方案,并对倒立摆系统的稳定性和镇定问题进行了大量的研究,由此研究产生的理论和方法对一般工业过程

4、也有广泛用途[5]。二、本课题国内外研究发展及现状:倒立摆作为一种实验设备,在教学和科研过程中发挥着重要的作用。它以其自身的非线性、强耦合、多变量和自然不稳定特性,成为检验各种控制理论和方法的理想模型,对其控制研究是控制领域研究的热门课题,是长期以来国内外控制领域研究的一个典型问题,因此成为具有挑战性的课题之一[6]。在国外倒立摆系统研究最早始于上世纪50年代,麻省理工学院(MIT)机电工程系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装置。相对国内对倒立摆的研究始于80年代,虽然起步较晚

5、但发展迅速,取得了可喜的成果。目前,倒立摆控制方法的研究正向更深的层次发展,如模拟人的行为控制倒立摆,用系统辨识的方法获得倒立摆的模糊控制规则或专家控制规则,及用自学习的方法得到神经网络控制倒立摆的联接强度,都是当今学术界感兴趣的课题。在国内的倒立摆控制研究中,由于缺少合适的实验平台,众多的研究只能局限于计算机软件仿真而无法通过实验来验证。针对这种情况,该课题结合教学与科研的应用要求,研制开发了一阶直线倒立摆实物仿真实验系统[7]。利用现代控制理论方法,借助MATLAB程序分析了直线倒立摆系统的稳定

6、性、可观性[8]。根据一阶倒立摆系统的物理模型,应用拉格朗日方程建立了系统的动力学数学模型;为了便于进行控制系统的设计,对模型进行了线性化和简化;通过模型仿真实验证明,该简化是合理的[9]。三、本课题相关理论综述:本课题是在建立系统模型的基础上,研究了倒立摆系统的控制策略。在实际操作中用一种强有力的控制方法对小车的速度作适当的控制,从而使摆杆倒置稳定于小车正上方。倒立摆刚开始工作时,首先使小车按摆杆的自由振荡频率摆动,摆杆随之大幅度摆动。经过几次摆动后,摆杆能自动直立起来。这种被控量既有角度,又有位

7、置,且它们之间又有关联,具有非线性、时变、多变量耦合的性质。具体实现时以系统的电气部分设计与实现,根据系统功能要求,进行了系统程序设计,使得系统同时能够完成手动操作、状态显示、起摆等功能[10]。然后对系统性能进行分析,并通过实物测试验证分析的合理性[11]。同时结合系统特点,采用经典控制策略,提出了可以在超前滞后校正和LQR优化方法,该方法根据系统状态控制系统驱动力来实现系统的稳定控制,具有算法简单,易于分析、处理和计算等优点[12]。通过倒立摆LQR最优控制系统设计与研究,并反复实验选取好加权阵

8、Q和R可以很好的实现倒立摆的稳定控制。针对系统检测性能的不足,解决状态量的间接测量问题,进行了系统状态变量重构问题的研究,使用MATLAB软件仿真实验,应用现代控制理论构建一阶倒立摆仿真系统,达到对摆杆偏移角速度和滑块线速度两个状态变量的重构[13]。通过观测器在二次最优反馈控制中的应用,实现对倒立摆稳定控制方法的研究,以便验证所用控制理论的有效性和实用性[14]。此外,倒立摆与自动控制技术研究密切相关,在控制理论发展的过程中,某一理论的正确性及实际应用中的可行性不仅

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