倒立摆建模、仿真与控制

发布时间：2017-04-12 08:16

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【摘要】：倒立摆是一个具有高阶次、不稳定、多变量、非线性和强藕合特性的系统,在控制领域里,倒立摆系统的控制一直是人们讨论和研究的主要内容。许多控制理论方面的学者以倒立摆系统为被控对象,将最新研究的还未被证实的控制方法应用到系统中验证算法的有效性和可行性。本文以二级倒立摆模型为被控对象,主要研究内容如下:(1)对倒立摆系统的研究背景、研究意义、国内外研究现状和研究趋势等作了大体的概述,并结合文献资料简单地介绍了倒立摆系统的多种控制算法。(2)详细分析了倒立摆系统的原理,通过对系统进行受力分解,采用机理建模法得到直线倒立摆系统的微分方程,并将其转化为状态方程。在Simulink环境中搭建出被控对象的仿真模块,同时介绍了模块的多种搭建方法。(3)因为控制理论经历了三个发展阶段:经典控制理论、现代控制理论和智能控制理论,所以本文对三个发展阶段中的经典控制方法稍加改进,进行对倒立摆系统的控制,控制算法分别为:PID控制算法、带观测器的状态反馈控制算法、线性二次型最优控制算法、基于Kalman滤波的LQR控制算法以及模糊控制算法,经过仿真后得出,模糊控制器与其他所设计的控制器相比,便于设计,节省时间,能得到较好的输出。(4)在实物控制中,由于能力限制,只针对直线一级倒立摆进行制作,以飞思卡尔系列的K60为主控制芯片进行直线一级倒立摆的实时控制。
【关键词】：倒立摆系统 建模 控制 仿真
【学位授予单位】：青岛大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TP13
【目录】：

• 摘要2-3
• abstract3-6
• 第一章 绪论6-12
• 1.1 倒立摆的研究背景与意义6
• 1.2 倒立摆系统概述6-10
• 1.2.1 倒立摆系统的组成6-7
• 1.2.2 倒立摆的分类7-8
• 1.2.3 倒立摆系统的工作原理8
• 1.2.4 倒立摆的控制方法8-10
• 1.3 本文研究内容及安排10-12
• 第二章 数学模型的建立12-20
• 2.1 建模概述12
• 2.2 二级倒立摆数学模型的建立12-18
• 2.3 数学模型的搭建18-19
• 2.4 本节的主要内容19-20
• 第三章 系统性能分析20-22
• 3.1 倒立摆系统稳定性的分析20
• 3.2 能控性、能观性分析20-21
• 3.3 本节研究内容21-22
• 第四章 倒立摆控制器的设计与仿真22-42
• 4.1 PID控制22-24
• 4.1.1 PID控制器简介22-23
• 4.1.2 二级倒立摆PID控制的仿真23-24
• 4.2 基于状态观测器的状态反馈控制24-28
• 4.2.1 基于观测器的状态反馈控制器简介24-26
• 4.2.2 二级倒立摆状态反馈控制的仿真26-28
• 4.3 线性二次型最优控制28-31
• 4.3.1 线性二次型最优控制器简介28
• 4.3.2 倒立摆LQR控制实验仿真28-31
• 4.4 基于卡尔曼滤波的LQR控制31-34
• 4.4.1 基于卡尔曼滤波的LQR控制简介31-32
• 4.4.2 二级倒立摆卡尔曼滤波器的LQR控制器仿真32-34
• 4.5 模糊控制34-40
• 4.5.1 模糊控制简介34-38
• 4.5.2 二级倒立摆模糊控制仿真38-40
• 4.6 控制方法的对比分析40-41
• 4.7 本节内容41-42
• 第五章 直线一级倒立摆实物控制42-50
• 5.1 直线一级倒立摆原理分析42
• 5.2 直线一级倒立摆受力分析42-43
• 5.3 直线一级倒立摆电路设计43-48
• 5.3.1 单片机最小系统44-45
• 5.3.2 倾角传感器电路45-46
• 5.3.3 速度传感器电路46-47
• 5.3.4 电机驱动电路47-48
• 5.3.5 电源48
• 5.4 软件环境介绍48-49
• 5.5 本节内容49-50
• 第六章 结论与展望50-52
• 参考文献52-54
• 攻读学位期间的研究成果54-56
• 致谢56-57

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本文编号：301094