南京郵電大學畢業設計（論文）開題報告題目 一級倒立擺控制系統的狀態反饋控制器設計與仿真學生姓名 班級學號 專業提綱（開題報告2000字以上）：對指導教師下達的課題任務的學習與理解；閱讀文獻資料進行調研的綜述（10篇左右）；根據任務書的任務及文獻調研結果，初步擬定的執行（實施）方案（含具體進度計劃）一、對課題任務的學習和理解倒立擺控制系統是一個復雜的、不穩定的、非線性系統，是進行控制理論教學及開展各種控制實驗的理想實驗平臺。通過對倒立擺的控制，用來檢驗新的控制方法是否有較強的處理非線性和不穩定性問題的能力。對倒立擺這樣的一個典型被控對象進行研究，無論在理論上和方法上都具有重要意義。不僅由于其級數增加而產生的控制難度是對人類控制能力的有力挑戰，更重要的是實現其控制穩定的過程中不斷發現新的控制方法，探索新的控制理論，并進而將新的控制方法應用到更廣泛的受控對象中。各種控制理論和方法都可以在這里得以充分實踐，并且可以促成相互間的有機結合。在控制理論發展的過程中，某一理論的正確性及實際應用中的可行性需要一個按其理論設計的控制器去控制一個典型對象來驗證。倒立擺的典型性在于作為一個裝置，成本低廉，結構簡單，便于模擬和數字多種不同方式控制；作為一個被控對象，又相當復雜，是高階次，不穩定，多變量，非線性，強耦合系統。倒立擺的控制方法在軍工、航天、機器人領域和一般工業過程中都有著廣泛的用途，且對于揭示定性定量轉換規律和策略具有普遍意義，因此對倒立擺系統的研究具有重要的理論和實踐意義。在歐美發達國家的高等院校，它已經成為必備的控制理論教學實驗設備。學生通過倒立擺系統實驗來驗證所學的控制理論和算法，非常的直觀、簡便，在輕松的實驗中對所學的課程加深了理解。本文主要是圍繞一級倒立擺系統，首先介紹了直線一階倒立擺的物理結構，分析其受力情況，并在一定假設條件下，建立一階級倒立擺系統的數學模型，并對其進行線性化，初步分析其運動特性。其次運用極點配置理論設計極點配置算法與控制器；運用線性二次型最優控制原理結合合適的Q,R陣求解最優控制矩陣并設計最優控制（LQR）方案。然后根據已經建立的系統數學模型，運用MATLAB的Simulink工具對極點配置控制方案和線性二次型最優控制（LQR）方案進行控制系統的仿真，得出仿真結果即各個輸出量的波形，同時可利用編寫的S函數仿真動畫觀察仿真結果。目的是通過設計加深對所學自動控制課程的理解，培養理論聯系實際的能力。為進一步學習更高層次的控制理論奠定基礎。二、閱讀文獻資料進行調研的綜述國外在60年代就開始了對一級倒立擺系統的研究，在60年代后期，作為一個典型的不穩定、嚴重非線性例證提出了倒立擺的概念，并用其檢驗控制方法對不穩定、非線性和快速性系統的控制能力。1966年Schaefer和Cannon應用Bang-Bang控制理論，將一個曲軸穩定于倒置位置；S.Mori等人于1975年采用最優控制和狀態重構的方法完成對一級倒立擺的穩定控制。國外對二級以上倒立擺的研究從70年代開始，1972年Sturgen等人采用線性控制模擬電路實現了二級倒立擺的控制，其線性狀態反饋采用極點配置的方法獲得，并采用全維狀態觀測器來重構了狀態；1978年，K.furuta等人采用微機處理實現了二級倒立擺的控制，1980年他們又完成了二級擺在傾斜軌道上的穩定控制；1983年，K.furuta等人又實現了雙電機三級倒立擺的穩定控制。國內從80年代開始對倒立擺進行了研究，1982年，西安交通大學完成了二級倒立擺系統的研制和控制，采用了最優控制和降維觀測器，以模擬電路實現；1983年，國防科技大學完成了一級倒立擺系統的研制和控制；1987年，上海機械學院完成了一、二級倒立擺系統的研制，并且完成了二級倒立擺在傾斜軌道上的控制。近年來，隨著智能控制方法的研究逐漸受到人們的重視，模糊控制、神經網絡、擬人智能控制、遺傳算法和專家系統等越來越多的智能控制算法應用到倒立擺動系統的控制上。ChariesW.Andorson在1988年應用自學習模糊神經網絡成功控制一級擺；周建波等用基于BP網絡的規則控制也解決了單擺的穩定性控制問題；徐紅兵等提出了基于變結構的模糊神經網絡控制算法，實現了二級倒立擺系統的穩定性控制；1995年，張明廉等人應用擬人智能控制理論成功的解決了三級倒立擺這一控制界的世界性難題；2001年9月19日，北京師范大學李洪興教授領導的復雜系統實時智能控制實驗室采用變論域自適應模糊控制成功地實現了三級倒立擺實物系統控制，又于2002年8月11日在國際上首次成功實現了四級倒立擺實物控制系統，這是一項原創性的具有世界領先水平的標志性科研成果。最近幾年，日本國內的研究機構對倒立擺系統的相關研究也比較多。其中，Mycom有限公司和東京工業大學、東京電機大學合作，利用謀劃控制器，實現對倒立擺系統的起擺和穩定控制。日本慶應大學將對倒立擺起擺和穩定控制的研究成果應用到雙足機器人的控制上，神奈川技術學院將擺的研究成果應用與輪椅性能的改善。而韓國忠南大學和臺灣國立大學都曾經用神經網絡實現對倒立擺系統的穩定控制。美國、波蘭、加拿大、意大利也有研究機構對這類問題進行研究，只是不像亞洲地區如此集中。2.1倒立擺系統在有限長的軌道L上作直線運動的小車；與小車鉸接在一起，并能在包含L的平面內繞口點轉動的擺；3?驅動小車的直流力矩電機和轉輪、鋼絲等傳動部分；4?使擺穩定在垂直向上的平衡位置，且使小車穩定在軌道中心位置附近的控制器一級倒立擺的結構簡圖如圖1所示:功軍放大圖1:一級倒立擺的結構簡圖力矩電機功軍放大圖1:一級倒立擺的結構簡圖力矩電機LQR控制倒立擺系統是非線性、強藕合、多變量和自然不穩定的系統。線性二次型最優控制LinearQuadraticRegulator一LQR問題在現代控制理論中占有非常重要的位置。由于線性二次型(LQ)性能指標易于分析、處理和計算而且通過線性二次型最優設計方法得到的控制系統具有較好的魯棒性與動態特性等優點線性二次型在控制界得到普遍重視。MATLAB仿真MATLAB是美國MathWork軟件公司于1984年推出的一種用于科學計算的高性能語言。它集數值計算、圖形圖像顯示以及編程于一體是常用的控制系統分析與設計工具。1990年MathWorks軟件公司為MATLAB提供了新的控制系統圖形化模型輸入與仿真工具Simulink它是MATLAB的一個擴展軟件模塊。該模塊提供了一個建模、分析與仿真等多種物理與數學問題的軟件環境并為圖形用戶界面提供了動態系統的結構方塊圖模型從而使用戶可以既快又方便地對系統進行建模、仿真而不必寫任何代碼程序。因此該工具很快就在控制工程界獲得了廣泛的認可并使仿真軟件進入了系統模型的圖形組態階段。三?執行方案3.1課題解決實施方案：掌握倒立擺系統的組成和控制原理，建立一階級倒立擺系統的數學模型。確定系統各項參數得到仿真模型。運用極點配置理論設計極點配置算法與控制器。運用線性二次型最優控制原理求解最優控制矩陣并設計最優控制(LQR)方案。⑸運用MATLAB的Simulink工具對極點配置控制方案和線性二次型最優控制(LQR)方案進行控制系統的仿真。比較兩種控制方法的優缺點，得出結論。3.2工作進度安排：第01-02周：了解本課題設計要求，針對倒立擺系統學習相關知識；第02-05周：完成開題報告以及相關知識點的掌握；掌握倒立擺系統仿真的整體思路；收集整理matlab仿真所需的資料；第06-08周：掌握倒立擺常用控制方法和設計過程，計算參數，制作一級倒立擺系統；第09-12周：完成極點配置和線性最優二次型控制器設計；在matlab中完成仿真；第13-14周：完成學生完善控制效果，分析輸出結果，得出仿真結論；第15-17周：編寫畢業設計論文和準備畢業答辯。參考文獻：王宏華.現代控制理論.北京：電子工業出版社，2006謝克明.自動控制原理.北京：電子工業出版社，2004胡壽松.自動控制原理(第4版).北京：科學出版社，2001于子淞.單級倒立擺建模及其控制方法設計.電腦知識與技術，2008,(4),(8)CHENWJ,FANGL,LEIKK.FuzzyLogicControllerforanInvertedPendulumSystem[C].IEEEInternationalConferenceonIntelligentProcessing