鄢亮开题报告

辽宁石油化工大学 信息与控制工程学院

毕业设计（论文）开题报告

论文题目： 单级倒立摆的模糊控制器设计 学生姓名： 鄢亮

专业班级： 自动化 学 号： 0803010410 指导教师： 吴旭翔

2012 年 3 月 1 日

辽宁石油化工大学 信息与控制工程学院 School of Information and Control Engineering 1．题目的背景和意义 倒立摆[1-3系统是研究控制理论的平台.虽然目前倒立摆的结构形式多种多样，但无论何种结构，就其本身而言都是一个多变量，强耦合，不稳定的非线性系统. 通过它能有效地反映控制过程中诸如可镇定性、鲁棒性、随动性以及跟踪等多种关键问题，是检验各种控制理论的理想模型.对倒立摆系统的研究早已引起国内外学者的广泛关注，是控制领域研究的热门课题之一.其控制的最终目的是使倒立摆这样一个不稳定的被控对象，通过引入适当的控制策略使其在初始条件下就成为一个稳定的系统.同时实现倒立摆的精确控制对工业复杂对象的控制有着不可估量的工程应用价值，其控制方法在军工、航天、机器人和一般工业过程领域中都有着广泛的用途，如机器人行走过程中的平衡控制、火箭发射中的垂直度控制和卫星飞行中的姿态控制等. 2．题目研究现状概述 《汕头大学学报》提到《一级直线倒立摆的控制及实现》研究一级直线型倒立摆的起摆、镇定与跟踪问题.采用基于Lyapunov能量反馈方法和基于精确线性化与LQR(linear quadratic regulator)算法结合的方法设计控制器,提出分阶段起摆的控制思想,并将这两种控制器有效地联系起来,最后对控制器的跟踪性能作了讨论.仿真结果与上机实验表明了方法的有效性和优越性. 2007年在期刊《微计算机信息》中侯涛，牛宏侠，董海鹰提到《单级倒立摆复合控制设计与实现》。本文针对LQR控制在单级倒立摆控制中的不足,设计了一个LQR结合PID的复合控制.并在Borland c语言环境下编写控制程序,成功实现倒立摆的控制,其控制效果比单-LQR控制的抗扰能力有明显提高. 杨世勇，徐莉苹，王培进也提出《单级倒立摆的PID控制研究》对单级倒立摆系统的平衡控制问题进行了研究,分别采用PD,PI和PID三种方案实现了单级倒立摆系统的平衡控制.在《上海电力学院学报》中杨平，徐春梅，王欢，朱颖，于超针对单级倒立摆装置,设计了4种状态反馈制方案.通过仿真试验和实验证实所提出的状态反馈控制方案都是成功的.分析和对比结果表明:基于LQR的反推法和基于主导基点的设计方法都是有效的. 2009年在陈华《重庆工学院学报》的《单级倒立摆智能控制器的设计》中，确定了简化的模糊算法.分别采用了2个控制器并联或串联的方法对倒立摆系统进行了仿真，并在仿真的基础上对倒立摆成功进行实时控制．无论从仿真还是实控结果看，得到的控制结果都是比较理想的，为以后进行二级倒立摆系统的实物控制奠定了理论基础．2010年的期刊《单级倒立摆控制方法研究》桑英军，范媛媛，徐才千在单级倒立摆系统的平衡控制问题中，对其进行数学建模并进行了能控性分析，采用PID,LQR,模糊变结构3种不同的控制方案.并在Matlab环境下进行仿真，控制效果的实验对比证明了3种方案对系统平衡控制的有效性.同时也展示了它们的控制品质和特性.PID控制简单易于实现，LQR控制较PID控制超调量小，调节时间段，且稳定性优于PID控制.模糊变结构控制器具有较优的鲁棒性及瞬态特性，系统受到波动和外 第1页

辽宁石油化工大学 信息与控制工程学院 School of Information and Control Engineering 干扰时具有不变性，超调量小. 3种控制策略仿真的对比结果对该方向的研究具有理论指导意义. 刘滨，穆晓乾在《过程控制》的《单级倒立摆的自适应模糊控制方法》中，通过对倒立摆的摆杆位置和速度的有效控制，使被控系统在较短时间内达到平衡状态，反映了控制系统具有很好的鲁棒稳定性，能够满足系统的控制要求，实现预定的控制目标. 因此，自适应模糊控制方法在控制倒立摆这种具有复杂性、非线性、不稳定性的系统方面具有很强的能力. 另外，此方法在控制器的设计上也更加灵活，尤其是模糊控制器的设计，更多考虑系统的目标实现，避免为使系统稳定而将控制策略变得冗繁复杂，使系统具有更好的适应性和鲁棒性。 3．题目要完成的主要内容和预期目标 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机电系统。它是一个复杂的快速、非线性、多变量、强耦合、自然不稳定的非最小相位系统，是重心在上、支点在下一类控制问题的抽象。对倒立摆系统的研究能反映控制中的许多典型问题，如非线性问题、鲁棒性问题、镇定问题、随动问题以及跟踪问题等。通过对倒立摆的控制，用来检验新的控制方法是否有较强的处理非线性和不稳定性问题的能力。针对多变量、非线性、强耦合性的单级倒立摆系统的平衡控制问题进行了研究,分别采用PD,PI和PID三种方案实现了单级倒立摆系统的平衡控制.首先, 利用牛顿力学分析法推导出直线一级倒立摆系统的数学模型，并由此推导出了系统的状态方程，建立系统的数学模型,然后通过仿真实验设计并整定各方案的控制器参数,将所设计的控制器分别在实际的物理设备上进行实时控制实验。预期实现了倒立摆的平衡控制，并验证各方案的正确性和有效性。 4．进度计划 5．参考文献 第2页

辽宁石油化工大学 信息与控制工程学院 School of Information and Control Engineering [1]韩东方,孙小强,徐志明,王银河. 一级直线倒立摆的控制及实现 [J].汕头大学学报（自然科学版），2007: 5-6 [2]侯涛,牛宏侠,董海鹰. 单级倒立摆复合控制设计与实现[J].微计算机信息，2007: 33-35 [3]杨世勇,徐莉苹,王培进. 单级倒立摆的PID控制研究[J].控制工程，2007 :7-8 [4]杨平,徐春梅,王欢,朱颖,于超. 直线一级倒立摆状态反馈控制设计及实验 [J] -上海电力学院学报，2007 :5-6 [5]刘琛,周军. 倒立摆变结构控制系统的设计与实验[J].科学技术与工程，2007 :15-17 [6]彭自然,罗大庸,张航. 单级倒立摆系统方法设计[M].机械工业出版社，2007 [7] 王孝莉,张丽婷,杨西侠. 单级倒立摆的两种控制方法及仿真研究 [J].信息技术与信息化，2006: 55-57 [8]陈华.单级倒立摆智能控制器的设计[J].重庆工学院学报（自然科学），2009 [9]刘滨，穆晓乾.单级倒立摆的自适应模糊控制方法[J].过程控制，2010：9-12 [10]桑英军，范媛媛，徐才千.单级倒立摆控制方法研究[J].控制工程，2010 指导教师意见： 指导教师签字： 年 月 日

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