1、第 1 页 共 7 页 本科毕业设计（论文）开题报告本科毕业设计（论文）开题报告 题 目 基于 MATLAB 的一级倒立摆的控制器设计与仿真 学 院 名 称 电 气 信 息 系 专 业 班 级 电气工程及其自动化 2010-4 学 生 姓 名 学 号 指 导 教 师 填表时间：2012 年 3 月 29 日 第 2 页 共 7 页 设计（论文） 题目 基于 MATLAB 的一级倒立摆的控制器设计与仿真 设计（论文） 类型（划“” ） 工程设计 应用研究 开发研究 基础研究 其它 一、 本课题的研究目的和意义 倒立摆系统是一个典型的多变量、非线性、强耦合和快速运动的高阶 1不稳定 系统，它是检验
2、各种新型控制理论和方法有效性的典型装置。近年来，许多学者 对倒立摆系统进行广泛地研究。 在控制理论发展的过程中， 某一理论的正确性及实际应用中的可行性 2需要一 个按其理论设计的控制器去控制一个典型对象来验证。倒立摆的典型性在于作为 一个装置，成本低廉，结构简单，便于模拟和数字多种不同方式控制；作为一个 被控对象，又相当复杂，是高阶次，不稳定，多变量，非线性，强耦合系统。只 有采用行之有效的控制方法才能使之稳定。倒立摆系统稳定效果非常明了，可以 通过摆动角度、位移和稳定时间直接度量，控制效果一目了然。因此，倒立摆系 统在控制理论研究中是一种较为理想的实验装置 1。 倒立摆的研究可归纳为对非线性
3、多变量绝对不稳定系统的研究， 其控制方法和 思路对处理一般工业过程也有广泛的用途。近年来国内外专家学者对倒立摆进行 了大量的研究，人们试图寻找不同的控制方法实现对倒立摆的控制，以便验证该 方法对严重非线性和绝对不稳定系统的控制能力 3。 倒立摆的控制方法在军工、 航天、 机器人领域和一般工业过程中都有着广泛的 用途，且对于揭示定性定量转换规律和策略具有普遍意义，因此对倒立摆系统的 研究具有重要的理论和实践意义 2。 在欧美发达国家的高等院校， 它已经成为必备 的控制理论教学实验设备 4。 学生通过倒立摆系统实验来验证所学的控制理论和算 法，非常的直观、简便，在轻松的实验中对所学的课程加深了理解
4、。 二、本课题的主要研究内容 本文主要是围绕一级倒立摆系统， 首先介绍了直线一阶倒立摆的物理结构， 分 析其受力情况，并在一定假设条件下，建立一阶级倒立摆系统的数学模型，并对 其进行线性化，初步分析其运动特性。其次运用极点配置理论设计极点配置算法 与控制器；运用线性二次型最优控制原理结合合适的 Q,R 阵求解最优控制矩阵并 设计最优控制（LQR）方案。然后根据已经建立的系统数学模型，运用 MATLAB 的 Simulink 工具对极点配置控制方案和线性二次型最优控制 （LQR） 方案进行控制系 统的仿真， 得出仿真结果即各个输出量的波形， 同时可利用编写的 S 函数 5仿真动 画观察仿真结果。
5、目的是通过设计加深对所学自动控制课程的理解，培养理论联 系实际的能力。为进一步学习更高层次的控制理论奠定基础。 第 3 页 共 7 页 三、文献综述（国内外研究情况及其发展） 国外在60年代就开始了对一级倒立摆系统的研究 6， 在60年代后期， 作为一个 典型的不稳定、严重非线性例证提出了倒立摆的概念，并用其检验控制方法对不 稳定、非线性和快速性系统的控制能力。 1966年Schaefer和Cannon应用Bang-Bang 7控制理论，将一个曲轴稳定于倒置 位置； S.Mori 5等人于1975年采用最优控制和状态重构的方法完成对一级倒立摆的 稳定控制。国外对二级以上倒立摆的研究从70年代开
6、始，1972年Sturgen等人采用 线性控制模拟电路实现了二级倒立摆的控制 5， 其线性状态反馈采用极点配置的方 法获得，并采用全维状态观测器来重构了状态；1978年，K.furuta等人采用微机 处理实现了二级倒立摆的控制，1980年他们又完成了二级摆在倾斜轨道上的稳定 控制 5；1983年，K.furuta等人又实现了双电机三级倒立摆的稳定控制8。 国内从80年代开始对倒立摆进行了研究， 1982年， 西安交通大学完成了二级倒 立摆系统的研制和控制，采用了最优控制和降维观测器，以模拟电路实现；1983 年，国防科技大学完成了一级倒立摆系统的研制和控制；1987年，上海机械学院 完成了一、二级倒立摆系统的研制，并且完成了二级倒立摆在倾斜轨道上的控制。 近年来， 随着智能控制方法的研究逐渐受到人们的重视， 模糊控制、 神经网络、 拟人智能控制、遗传算法和专家系统等越来越多的智能控制算法应用到倒立摆动 系统的控制上。 Charies W.
