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1、滨江学院毕业论文(设计)开题报告题 目 基于Matlab-simulink的倒立摆系统控制设计与仿真 学生姓名 周乃义 学 号 20092336926 院 系 自动控制系专 业 自动化指导教师 郑柏超二一三 年 四 月 十 日毕 业 论 文（设 计）开 题 报 告1本课题的目的及研究意义倒立摆是一个在学术界备受关注的重点研究的高阶次系统，另外它还是一个具有多变量、强耦合和绝对不稳定特性的非线性系统。它能在倒立摆的控制过程中有效反映像随动性、可镇定性、鲁棒性以及跟踪行等许多的核心问题。正是由于此系统是一个非线性系统，在控制领域中，也受到很多研究者的重视。此外，无论几级的倒立摆，在高校的实践教学中
2、，也体现出了他们各自的价值。它不仅可以作为实验性设备，而且可以还是一个有代表性的数学模型。当我们队此系统进行研究解析之后，很多控制界的问题得以解决，这些一直困扰研究者的理论问题和实践上遇到的技术问题。它能够把电学、力学和数学联系到一起，共同运用到这个系统中。这样可以把学生课堂上所学的理论知识能够应用到实际的控制当中，这大大提高了教学质量。诸多特性，使他在国际界备受重视。倒立摆系统被人们用来验证试验研究的对象，曾被认为是最佳的理论方法，广泛应用于机器人学、伺服控制、航天、军工等领域，因而研究倒立摆系统不仅具有很强的理论意义，而且它又具有很强的工程意义。众所周知，自然界的许多系统都不稳定的，其中最
3、具有代表性的就是本文研究地倒立摆系统，我的目的就是选择一个行之有效的控制方法来设计一个控制器，使不稳定的二级倒立摆受控对象变成一个趋于稳定的控制系统。到目前为止，已涌现出来各种各样的控制算法，比如模糊、神经网络、状态反馈、自适应、PID以及变结构等，他们都各自展现了其特有的控制能力。本文采用模糊PID控制，实现对二级旋转倒立摆的稳定性进行有效控制。2本课题的国内外的研究现状 早在20世纪60年代，人们就开始了对倒立摆系统的研究。1966年Schacfer和Cannon应用Bang-Bang控制理论，将一个曲轴稳定于倒置位置。到了20世纪60年代后期，倒立摆作为一个典型不稳定、非线性的例证被提出
4、。自此，对于倒立摆系统的研究便成了控制界关注的焦点。倒立摆的种类很多，有悬挂式倒立摆、平行倒立摆、环形倒立摆、平面倒立摆；倒立摆的级数可以是一级、二级、三级、四级乃至多级；倒立摆的运动轨道可以是水平的，还可以是倾斜的(这对实际机器人的步行稳定控制研究更有意义)； 控制电机可以是单电机，也可以是多级电机。目前有关倒立摆的研究主要集中在亚洲，如中国的北京师范大学、北京航空航天大学、中国科技大学；日本的东京工业大学、东京电机大学、东京大学；韩国的釜山大学、忠南大学，此外，俄罗斯的圣彼得堡大学、美国的东佛罗里达大学、俄罗斯科学院、波兰的波兹南技术大学、意大利的佛罗伦萨大学也对这个领域有持续的研究。近年
5、来，虽然各种新型倒立摆不断问世，但是可自主研发并生产倒立摆装置的厂家并不多。目前，国内各高校基本上都采用香港固高公司和加拿大Quanser公司生产的系统；其它一些生产厂家还包括（韩国）奥格斯科技发展有限公司（FT-4820型倒立摆）、保定航空技术实业有限公司；最近，郑州微纳科技有限公司的微纳科技直线电机倒立摆的研制取得了成功。倒立摆的研究具有重要的工程背景：(1) 机器人的站立与行走类似双倒立摆系统，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
6、预先计算好的轨道和确定的位置上运行的同时，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。(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。鲁棒控制是自动控制领域 20 世纪末最重要的研究结果之一。简单地说鲁棒控制处理的是不确定性对象，这种不确定性包括外
7、部扰动、模型参数变化未建模动态(即模型与实际系统差异)、 执行器的误差等等。鲁棒控制算法在倒立摆中的应用，尽管这方面的研究工作还没有充分展开，但从已有的一些研究成果不难推断出，鲁棒控制方法是解决倒立摆这一对象非线性、复杂性和不确定性的一种工具。鲁棒控制的发展方向是面向不确定性的研究对象，如何将其研究成果与实际应用相结合，解决不确定系统的控制问题，或使已有的控制系统具有更强的鲁棒性，这是一项艰巨而复杂的工作。倒立摆是一个验证理论的正确性及实际应用中的可行性的典型对象。通过将鲁棒控制算法应用到倒立摆中来验证鲁棒控制算法优越性，最终将鲁棒算法的实际应用更进一步。倒立摆的PID控制能够得到普遍的应用与
8、其自身的特点有很大关系，首先它可以变形，而且变形之后依然可以达到一个很好的控制效果，所以今天至少有接近90%的回路在采用这种方法。由于它除具有简单的结构、好的鲁棒性、可靠性等特点外，还有便于操作性等诸多优点，因此它在冶金、电力、化工等工业制造生产过程中得到广泛的应用。但是它不可能不经过完善改进或者创新而一直这样发展下去，因为工业的需要，它必须不断地改进来适应控制领域的要求。所以后来出现了新的PID算法，比如位置式PID控制、增量式PID等。但是仅有这两种最简单基本的算法是肯定不能满足当今工业系统发展要求的，于是又激发出了很多改进后的PID算法，比如积分分段、积分分离化等。当然了，后来很多算法变
9、涌现出来了，但不管是什么算法都是基于基本算法产生的，通俗点就是对基本算法进行拆分、组合、添加进而衍生出其他算法。 众所周知，PID在控制界已得到了广泛的应用并且控制算法的精度在不断地提高，然而，实际情况中的控制系统当中的被控对象具有高度的非线性、随时间变化的不确定性等特点，所以其远比人类所能想象的复杂地多，因而数字式PID调节器虽然具有了很好的稳定精度，但是他不能兼顾控制系统的动态特性。为了解决这个矛盾，我们假设这样的情况下，就是参数可以在线调整。所以，智能控制的出现为这些问题提供了一条有效的途径，随着他的问世，实际控制系统中的参数变化问题便得到了解决。随着智能控制的发展，研究者变顺势把常规的
10、PID控制跟智能控制进行了有效的结合，结合之后便出现了各种智能PID控制器，比如神经网络、专家型、模糊性、遗传算法等几种类型的智能PID控制器等。它克服了参数整定的问题，可以随意修改参数，具有自学习、自组织、自适应的能力。它把两种控制器的优点集中到一个控制器上，自然而然，智能PID控制器在实际应用中最广泛。模糊控制理论经过几十年的发展，模糊PID控制也就相应变成了控制界的研究热点，于是便出现了很多不同类型的模糊PID控制器。最简单的有：直接控制量和增益调整两种类型，随后便出现了很多参数整定的规律和经验。模糊PID控制已经在很多工业控制过程中得到了很好应用。总之，设计一个良好的模糊PID控制器，
11、最主要的就是要能够很好地进行实时在线调整常规PID控制器中的三个参数KP,KI,KD,最终能够使得这三个参数随着误差变化，自动调节输出。这不仅解决了单纯的模糊控制器的精度问题，而且解决了常规PID控制器对环境变化反应缓慢的问题。毕 业 论 文（设 计）开 题 报 告3本课题的研究内容 本文主要针对基于MATLAB的二级倒立摆的模糊PID控制算法及仿真。通过分析二阶倒立摆的的系统原理和研究物理模型，然后使用状态空间理论推导出其非线性模型,再在平衡点处进行线性化得到倒立摆系统简化动态方程，实现数学模型的建立。最后在MATLAB中进行二阶倒立摆系统仿真，得到系统的响应曲线，从而实现对二级倒立摆的稳定
12、性的有效控制。 与已有的控制算法（例如模糊、神经网络、状态反馈、自适应、PID以及变结构等）相比，模糊PID具有明显的优越性。它不仅可以更准确地实现直线二级倒立摆的仿真控制，而且可以用倒立摆对其正确性和实用性加以物理验证。通过对各种方法进行快捷、有效的比较，实验效果更显著、直观。4本课题的实行方案、进度及预期效果1)实行方案： 采取模糊PID控制算法对不稳定的二级倒立摆系统进行稳定性控制。2） 论文进度： 3.20前 准备阶段 学习毕业论文有关文件(熟悉被控对象熟悉以及Matlab软件，并求出系统响应)以及认真填写任务书; 3.20-4.10 完成开题报告; 1、查阅资料，熟悉被控对象，翻译外
13、文资料； 2、对被控对象进行建立传递函数和状态空间模型； 3、熟悉Matlab软件，求系统响应； 4、在Matlab中进行仿真实熟悉各种控制算法； 5、实验，并分析仿真结果； 6、结合仿真实验进行实时控制； 7、结合编码器、伺服电机的仿真控制设计二级倒立摆模型； 8、在Matlab中进行仿真实验，并分析、调试仿真结果； 4.10-5.15 查阅并翻译相关外文文献以及撰写完成毕业论文; 5.16-5.24 做好答辩前的工作，准备答辩; 5.25-6.4 参加答辩以及查阅;3）预期效果：在没有其他干扰的情况下，仿真曲线应该正常。经过细致分析可以发现采用模糊PID的控制方法具有调节时间很短、稳态误差
14、很低、超调量也很小的优点，其效果要明显有优于其他的控制方法，其鲁棒性，动态性，准确性明显优于传统PID控制.毕 业 论 文（设 计）开 题 报 告5、已查阅参考文献：1 申铁龙.机器人鲁棒控制基础M.清华大学出版社,20002刘金锟 ，先进PID控制MATLAB仿真(第2版) M.北京:电子工业出版社,20063夏德钤，翁贻方编著，自动控制理论M（第二版）机械工业出版社，20074 施阳 MATLAB语言精要及动态仿真工具SIMULINK 西安M 西北工业大学出版社 ,19975张思雨,预测控制算法和P ID控制算法J，燕山大学工学硕士学位论文，20036陈超，龚国芳,徐晓东，王静，一种参数自
15、整定模糊PID控制器的研究D，浙江大学流体传动及控制国家重点实验室20057 Farmer JD，Packard N.H.Perelson AS The immune system，adaptation and machine learningJPhysiea D，19868 Kawafuku M，Sasaki M，TakahashiAdaptive learning method of neural network controller using an immune feedback lawJ，2000 9高东杰，谭杰，林红权应用先进控制技术 M 北京，国防工业出版社，200310张建民，王涛智能控制原理及应用M，北京，冶金工业出版社 ，2003 11 陶永华，尹怡欣，葛芦生新型PID控制及其应用M北京，机械工业出版社，199812赵梅花.二级倒立摆平衡系统变结构控制器的设计与仿真研究毕业论文，河南科技大学，2003.5指导教师意见 指导教师： 年 月 日学院审查意见 学院领导（公章）： 年 月 日
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