毕业设计----二维倒摆控制系统设计

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1、毕业设计：二维倒摆控制系统设计摘要:倒立摆控制系统虽然作为热门研究课题之一，但见于资料上的大多采用现代控制方法，本课题的目的就是要用经典的方法对单级倒立摆设计控制器进行探索。本文以经典控制理论为基础，建立小车倒立摆系统的数学模型，使用PID控制法设计出确定参数(摆长和摆杆质量)下的控制器使系统稳定，并利用MATLAB软件进行仿真。关键词：单级倒立摆；经典控制；数学模型；PID控制器；MATLABAbstract:Althoughtheinvertedpendulumcontrolsystemasoneofthehotresearcht

2、opic,butfoundmostoftheinformationontheuseofmoderncontrolmethods,thepurposeofthissubjectistousetheclassicmethodofsingle-stageinvertedpendulumcontrollerdesignexploration.Thispaperisbasedonclassicalcontroltheory,theestablishmentofcarinvertedpendulummodel,theuseofPIDcontrol

3、methodtodeterminethedesignparameters(longpendulumswingingrodandquality)ofthestabilityofthesystemcontroller,anduseMATLABsimulationsoftware.Keywords:Single-stageinvertedpendulum;classiccontrol;mathematicalmodel;PIDcontroller;MATLAB30目录摘要1Abstract2第一章引言41.1课题的研究背景以及意义41.1.

4、1经典控制理论41.1.2倒立摆的概念41.1.3倒立摆的研究具有重要的工程背景5第二章单节倒立摆的数学模型62.1模型的推导原理62.2单级倒立摆系统描述62.3单节倒立摆的系统数学建模72.3.2系统的运动方程82.4单级倒立摆系统模型的线性化处理及传递函数92.4.1线性化92.4.2单节倒立摆传递函数的推导92.4.3状态空间方程的推导10第三章单级倒立摆控制系统原理123.1线性系经统的校正方法123.2基本控制定律123.3PID控制133.3.1PID控制器的结构133.4系统MATLAB仿真和开环响应143.4.1传递

5、函数仿真143.4.2状态方程法仿真15第四章PID调节器控制校正设计17第五章PID控制算法设计205.1PID控制理论分析205.2MATLAB仿真235.2.1摆杆角度控制235.2.2小车位置变化仿真27结论28致谢29参考文献3030二维倒摆控制系统设计第一章绪论1.1课题的研究背景以及意义自动控制理论是研究自动控制共同规律的技术科学。它的发展初期，是以反馈理论为基础的自动调节原理并主要用于工业控制。控制理论在几十年中，迅速经历了从经典控制理论到现代控制理论再到智能控制理论的阶段，并有众多的分支和研究发展方向。倒立摆系统作为

6、研究控制理论的一种典型的实验装置，具有成本低廉、结构简单、物理参数和结构易于调整的优点，然而倒立摆系统本身所具有的高阶次、不稳定、多变量、非线性和强耦合的特性，是一个绝对不稳定系统。必须采用十分有效的控制策略才能使之稳定。在控制过程中，它能有效地反映诸如可镇定性、鲁棒性、随动性以及跟踪等许多控制中的关键问题，是检验这种控制理论的理想模型。因此，倒立摆系统是研究变结构控制、非线性控制目标，定位控制，智能控制等控制方法理想的实验平台。倒立摆系统除了很强的理论意义，同时也具有深远的实践意义。从日常生活中所见到的任何重心在上，支点在下的控制问

7、题，到空间飞行器和各类伺服云台的稳定，都和倒立摆的控制有很大的相似性；同时其动态过程与人类行走姿态类似，其平衡与火箭的发射姿态调整类似。所以，对倒立摆的稳定控制在实际中有很多用处。如海上钻井平台的稳定控制、卫星发射架的稳定控制、火箭姿态控制、飞机安全着陆等都属于这类问题。多年来，人们对倒立摆的研究越来越感兴趣，这其中的原因不仅在于倒立摆系统在高科技领域的广泛应用，而且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象，检验新的控制方法是否具有较强的处理多变量、非线性和绝对不稳定系统的能力。因此，倒立摆系统作为控制理论研究中

8、的一种较为理想的试验平台，用来检验控制策略的效果，成为控制理论中经久不衰的研究课题。1.1经典控制理论倒立摆系统是一个多变、快速、非线性和自然不稳定系统。在控制过程中能有效地反映控制中的许多关键问题如非线题系统的鲁棒性问