1、 毕业设计开题报告 学学 生生 姓姓 名：名： 学学 号：号： 学学 院院 、 系系 ： 信息与通信工程学院电气工程系 专专 业业 ： 自动化 设设 计计 题题 目目： 直线一阶倒立摆的稳定控制研究 -根轨迹和状态空间极点配置方法 指 导 教 师指 导 教 师 : 2012 年年 3 月月 5 日日 毕毕 业业 设设 计计 开开 题题 报报 告告 1结合毕业设计情况，根据所查阅的文献资料，撰写 2000 字左右的文 献综述： 文文 献献 综综 述述 一、本课题的研究背景与意义一、本课题的研究背景与意义： 倒立摆是一个典型的非线性、快速、多变量和自然不稳定系统，也是一个绝对不稳 定的系统，其控制
2、方法和思路对处理一般工业过程具有普遍的指导意义。随着智能控制 的发展，新的控制方法不断出现，人们试图通过倒立摆这样一个严格的控制对象，检验 新的控制方法的有效性。因此，倒立摆系统作为控制领域具有代表性的和复杂性的研究 对象， 对它理论上和方法上的研究具有深远的理论价值和重要的工程背景和实际意义 1。 现在对于倒立摆的研究不仅要追求增加摆的级数， 而且更重要的是如何发展现有的控制 方法，因而倒立摆被誉为“控制领域中的一颗明珠” 。在对倒立摆的控制研究方法中线 性二次型最优控（Linear Quadratic RegulatorLQR）法在现代控制理论中占有非 常重要的位置 2。由于线性二次型（L
3、QR）性能指标易于分析、处理和计算，而且通过线 性二次型最优设计方法得到的控制系统具有较好的动态特性等优点， 线性二次型在控制 界得到普遍重视 3。运用 LQR 对倒立摆进行最优控制系统,并从实时控制效果出发4。同 时，它和火箭的姿态以及控制步行机器人的稳定控制有很多相似之处，因此控制界对它 的研究兴趣一直不减，另外，由于此装置成本低廉，结构简单，便于用模拟、数字等不 同方式控制，在控制理论教学和科研中也有很多应用。人们已经提出了许多倒摆控制方 案，并对倒立摆系统的稳定性和镇定问题进行了大量的研究，由此研究产生的理论和方 法对一般工业过程也有广泛用途 5。 二、本课题二、本课题国内外国内外研究
4、研究发展及发展及现状现状： 倒立摆作为一种实验设备，在教学和科研过程中发挥着重要的作用。它以其自身的 非线性、强耦合、多变量和自然不稳定特性，成为检验各种控制理论和方法的理想模型, 对其控制研究是控制领域研究的热门课题，是长期以来国内外控制领域研究的一个典型 问题，因此成为具有挑战性的课题之一 6。 在国外倒立摆系统研究最早始于上世纪 50 年代， 麻省理工学院(MIT)机电工程系的 控制论专家根据火箭发射助推器原理设计出一级倒立摆实验装置。 相对国内对倒立摆的研究始于 80 年代，虽然起步较晚但发展迅速，取得了可喜 的成果。目前，倒立摆控制方法的研究正向更深的层次发展，如模拟人的行为控制倒立
5、 摆，用系统辨识的方法获得倒立摆的模糊控制规则或专家控制规则，及用自学习的方法得到 神经网络控制倒立摆的联接强度，都是当今学术界感兴趣的课题。在国内的倒立摆控制 研究中，由于缺少合适的实验平台，众多的研究只能局限于计算机软件仿真而无法通过 实验来验证。针对这种情况，该课题结合教学与科研的应用要求，研制开发了一阶直线 倒立摆实物仿真实验系统 7。利用现代控制理论方法，借助 MATLAB 程序分析了直线倒立 摆系统的稳定性、可观性 8。根据一阶倒立摆系统的物理模型，应用拉格朗日方程建立 了系统的动力学数学模型；为了便于进行控制系统的设计，对模型进行了线性化和简化； 通过模型仿真实验证明，该简化是合
6、理的 9。 三、本课题相关理论综述三、本课题相关理论综述： 本课题是在建立系统模型的基础上，研究了倒立摆系统的控制策略。在实际操作中用一种强有 力的控制方法对小车的速度作适当的控制，从而使摆杆倒置稳定于小车正上方。倒立摆刚开始工作 时，首先使小车按摆杆的自由振荡频率摆动，摆杆随之大幅度摆动。经过几次摆动后，摆杆能自动 直立起来。这种被控量既有角度，又有位置，且它们之间又有关联，具有非线性、时变、多变量耦 合的性质。具体实现时以系统的电气部分设计与实现，根据系统功能要求,进行了系统程序设计，使 得系统同时能够完成手动操作、状态显示、起摆等功能10。然后对系统性能进行分析，并通过实物 测试验证分析的合理性11。同时结合系统特点,采用经典控制策略,提出了可以在超前滞后校正和 LQR 优化方法，该方法根据系统状态控制系统驱动力来实现系统的稳定控制，具有算法简单，易于 分析、处理和计算等优点12。通过倒立摆 LQR 最优控制系统设计与研究，并反复实验选取好加权阵 Q 和 R 可以很好的实现倒立摆的稳定
