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1、遼寧石油化工大學(xué)信息與控制工程學(xué)院畢業(yè)設(shè)計（論文）開題報告??論文題目：單級倒立擺的模糊控制器設(shè)計學(xué)生姓名：鄢亮專業(yè)班級：自動化學(xué)號：0803010410指導(dǎo)教師：吳旭翔?2012年3月1日遼寧石油化工大學(xué)信息與控制工程學(xué)院SchoolofInformationandControlEngineering1．題目的背景和意義倒立擺[1-3系統(tǒng)是研究控制理論的平臺.雖然目前倒立擺的結(jié)構(gòu)形式多種多樣，但無論何種結(jié)構(gòu)，就其本身而言都是一個多變量，強耦合，不穩(wěn)定的非線性系統(tǒng).通過它能有效地反映控制過程中諸如可鎮(zhèn)定性、魯棒性、隨動性以及跟蹤等多種關(guān)鍵問題，是檢
2、驗各種控制理論的理想模型.對倒立擺系統(tǒng)的研究早已引起國內(nèi)外學(xué)者的廣泛關(guān)注，是控制領(lǐng)域研究的熱門課題之一.其控制的最終目的是使倒立擺這樣一個不穩(wěn)定的被控對象，通過引入適當(dāng)?shù)目刂撇呗允蛊湓诔跏紬l件下就成為一個穩(wěn)定的系統(tǒng).同時實現(xiàn)倒立擺的精確控制對工業(yè)復(fù)雜對象的控制有著不可估量的工程應(yīng)用價值，其控制方法在軍工、航天、機器人和一般工業(yè)過程領(lǐng)域中都有著廣泛的用途，如機器人行走過程中的平衡控制、火箭發(fā)射中的垂直度控制和衛(wèi)星飛行中的姿態(tài)控制等.2．題目研究現(xiàn)狀概述《汕頭大學(xué)學(xué)報》提到《一級直線倒立擺的控制及實現(xiàn)》研究一級直線型倒立擺的起擺、鎮(zhèn)定與跟蹤問題.采用基
3、于Lyapunov能量反饋方法和基于精確線性化與LQR(linearquadraticregulator)算法結(jié)合的方法設(shè)計控制器,提出分階段起擺的控制思想,并將這兩種控制器有效地聯(lián)系起來,最后對控制器的跟蹤性能作了討論.仿真結(jié)果與上機實驗表明了方法的有效性和優(yōu)越性.2007年在期刊《微計算機信息》中侯濤，牛宏俠，董海鷹提到《單級倒立擺復(fù)合控制設(shè)計與實現(xiàn)》。本文針對LQR控制在單級倒立擺控制中的不足,設(shè)計了一個LQR結(jié)合PID的復(fù)合控制.并在Borlandc語言環(huán)境下編寫控制程序,成功實現(xiàn)倒立擺的控制,其控制效果比單-LQR控制的抗擾能力有明顯提高
4、.楊世勇，徐莉蘋，王培進也提出《單級倒立擺的PID控制研究》對單級倒立擺系統(tǒng)的平衡控制問題進行了研究,分別采用PD,PI和PID三種方案實現(xiàn)了單級倒立擺系統(tǒng)的平衡控制.在《上海電力學(xué)院學(xué)報》中楊平，徐春梅，王歡，朱穎，于超針對單級倒立擺裝置,設(shè)計了4種狀態(tài)反饋制方案.通過仿真試驗和實驗證實所提出的狀態(tài)反饋控制方案都是成功的.分析和對比結(jié)果表明:基于LQR的反推法和基于主導(dǎo)基點的設(shè)計方法都是有效的.2009年在陳華《重慶工學(xué)院學(xué)報》的《單級倒立擺智能控制器的設(shè)計》中，確定了簡化的模糊算法.分別采用了2個控制器并聯(lián)或串聯(lián)的方法對倒立擺系統(tǒng)進行了仿真，并
5、在仿真的基礎(chǔ)上對倒立擺成功進行實時控制．無論從仿真還是實控結(jié)果看，得到的控制結(jié)果都是比較理想的，為以后進行二級倒立擺系統(tǒng)的實物控制奠定了理論基礎(chǔ)．2010年的期刊《單級倒立擺控制方法研究》桑英軍，范媛媛，徐才千在單級倒立擺系統(tǒng)的平衡控制問題中，對其進行數(shù)學(xué)建模并進行了能控性分析，采用PID,LQR,模糊變結(jié)構(gòu)3種不同的控制方案.并在Matlab環(huán)境下進行仿真，控制效果的實驗對比證明了3種方案對系統(tǒng)平衡控制的有效性.同時也展示了它們的控制品質(zhì)和特性.PID控制簡單易于實現(xiàn)，LQR控制較PID控制超調(diào)量小，調(diào)節(jié)時間段，且穩(wěn)定性優(yōu)于PID控制.模糊變結(jié)構(gòu)
6、控制器具有較優(yōu)的魯棒性及瞬態(tài)特性，系統(tǒng)第3頁 遼寧石油化工大學(xué)信息與控制工程學(xué)院SchoolofInformationandControlEngineering受到波動和外干擾時具有不變性，超調(diào)量小.3種控制策略仿真的對比結(jié)果對該方向的研究具有理論指導(dǎo)意義.劉濱，穆曉乾在《過程控制》的《單級倒立擺的自適應(yīng)模糊控制方法》中，通過對倒立擺的擺桿位置和速度的有效控制，使被控系統(tǒng)在較短時間內(nèi)達到平衡狀態(tài)，反映了控制系統(tǒng)具有很好的魯棒穩(wěn)定性，能夠滿足系統(tǒng)的控制要求，實現(xiàn)預(yù)定的控制目標.因此，自適應(yīng)模糊控制方法在控制倒立擺這種具有復(fù)雜
7、性、非線性、不穩(wěn)定性的系統(tǒng)方面具有很強的能力.另外，此方法在控制器的設(shè)計上也更加靈活，尤其是模糊控制器的設(shè)計，更多考慮系統(tǒng)的目標實現(xiàn)，避免為使系統(tǒng)穩(wěn)定而將控制策略變得冗繁復(fù)雜，使系統(tǒng)具有更好的適應(yīng)性和魯棒性。3．題目要完成的主要內(nèi)容和預(yù)期目標?倒立擺是處于倒置不穩(wěn)定狀態(tài)、通過人為控制使其處于動態(tài)平衡的機電系統(tǒng)。它是一個復(fù)雜的快速、非線性、多變量、強耦合、自然不穩(wěn)定的非最小相位系統(tǒng)，是重心在上、支點在下一類控制問題的抽象。對倒立擺系統(tǒng)的研究能反映控制中的許多典型問題，如非線性問題、魯棒性問題、鎮(zhèn)定問題、隨動問題以及跟蹤問題等。通過對倒立擺的控制，用來
8、檢驗新的控制方法是否有較強的處理非線性和不穩(wěn)定性問題的能力。針對多變量、非線性、強耦合性的單級倒立擺系統(tǒng)的平衡控制問題進行
