1、 本科毕业设计本科毕业设计( (论文论文) )开题报告开题报告 题目题目：一级倒立摆的模糊控制：一级倒立摆的模糊控制 课课 题题 类类 型：型： 设计设计 实验研究实验研究 论文论文 学学 生生 姓姓 名：名： 学学 号：号： 30902012143090201214 专专 业业 班班 级：级： 自动化自动化 092092 学学 院：院： 电气工程学院电气工程学院 指指 导导 教教 师：师： 开开 题题 时时 间：间： 20132013 年年 3 3 月月 2013 2013 年年 3 3 月月 1010 日日 一、毕业设计（论文）内容及研究意义（价值） 在控制理论发展的过程中，一种理论的正确
2、性及在实际应用中的可行性，往往需要 一个典型对象来验证，并比较各种控制理论之间的优劣，倒立摆系统就是这样一个可以 将理论应用于实际的理想实验平台。本论文在参考大量文献的基础上，建立了一级倒立 摆系统的数学模型，对系统进行了稳定性、可控性分析，指出一阶倒立摆的开环不稳定 性。文章主要完成了：一级倒立摆动力学模型和模糊 PID 控制器模块的设计，确定了输 入输出信号的论域、隶属度函数和模糊规则，最后利用 Matlab 中的 simulink 工具箱创 建了基于模糊控制理论的一级倒立摆系统的 simulink 仿真模型，对倒立摆系统进行分 析。仿真结果证明模糊 PID 控制不仅可以稳定倒立摆系统，还
3、使小车稳定在平衡位置附 近，证明了本文设计的模糊 PID 控制器有良好的稳定性、鲁棒性和适应性 倒立摆系统能有效地反映诸如镇定性、鲁棒性、随动性等许多控制中的关键问题， 是检验各种控制理论的理想模型。 其典型性在于： 作为实验装置， 它本身具有成本低廉、 结构简单、物理参数和结构易于调整、便于模拟、形象直观的优点；作为被控对象，它 是一个具有高阶次、不稳定、多变量、非线性和强藕合特性的不稳定系统，可以有效地 反映控制中的许多问题；作为检测模型，该系统的特点与机器人、飞行器、起重机稳钩 装置等的控制有很大的相似性。对倒立摆因此对倒立摆控制机理的研究具有非常重要的 理论和实践意义。 。 二、毕业设
4、计（论文）研究现状和发展趋势（文献综述） 1.倒立摆系统的研究现状 到目前为止，人们己经利用包括经典控制理论、现代控制理论以及各种智能控制理 论在内的各种手段先后实现了倒立摆系统的稳定控制。随着微型计算机的发展和广泛应 用，又陆续出现了对一级、二级甚至多级倒立摆的稳定控制。倒立摆系统是一个难以控 制的不稳定结构，随着级数的增加，控制难度加大。在这样复杂的控制对象面前，把人 工智能的方法引入到控制系统中，就为解决倒立摆控制问题提出了新的方向。 模糊智能控制和神经网络控制是智能控制的重要方面，它们在倒立摆系统的控制上 起到了很大的作用。程福雁等将传统控制理论与模糊控制相结合实现了对二级倒立摆的 稳
5、定控制。王卫华采用专家模糊控制解决单级倒立摆的稳定问题。张乃尧等人采用模糊 双闭环的方案，成功的对单级倒立摆进行了稳定控制。胡叔旖、孙增沂应用基于规则的 方法实现了二级倒立摆的稳定控制。刘妹琴、陈际达等采用递归神经网络控制了单级倒 立摆。王琳等采用模糊小脑模型控制器仿真控制了单级倒立摆。1994 年 8 月，北京航空 航天大学自动化系张明廉教授、沈程智教授领导的人工智能小组，采用拟人智能控制模 仿人面对同样问题的解决思路，成功实现了单电机控制三级平面运动倒立摆的控制。李 洪兴教授领导的模糊系统与模糊信息研究中心暨复杂系统实时智能控制实验室采用变 论域自适应模糊控制理论， 于 2001 年 9
6、月实现了三级倒立摆实物系统控制后， 又于 2002 年 8 月 11 日在世界上首次成功实现了四级倒立摆实物控制系统。在对倒立摆系统的研 究过程中新的控制理论的不断出现，使现有的控制理论得到了不断的完善和发展。 2.倒立摆系统研究的发展趋势 此前，实现的一级至四级倒立摆均为直线运动倒立摆。直线运动倒立摆实现的是在 一个平面上的摆动，轨道较长、传动环节较多、占地空间较大，实践中常常由于传动机 构的故障或误差， 而不是控制方法本身的问题导致平衡控制失败。 随着科学技术的发展， 被控对象日趋复杂，对控制性能的要求也日趋提高，直线倒立摆已不能满足复杂系统的 需要，由此产生了圆形轨道倒立摆。圆形轨道倒立摆实现了上、下、左、右、前、后任 何方向的摆动，与传统的直线轨道倒立摆相比，圆形轨道倒立摆具有控制精度高、功能 多、结构紧凑、性价比高等优点，所以圆形轨道倒立摆比传统的直线轨道倒立摆更具有 竞争力和应用价值。圆形轨道倒立摆实物系统控制的实现要比直线运动倒立摆实物系
