直线一级倒立摆起摆与稳摆控制研究及控制系统设计

摘要

倒立摆装置是一个绝对不稳定系统，具有高阶次、非线性、强耦合等特性，研究倒立摆控制能有效地反映控制中的许多问题。倒立摆研究具有重要的理论价值和应用价值，理论上，由于倒立摆控制可以反映控制方法对高阶次、不稳定、非线性、强耦合系统的控制能力，所以很多控制方法的验证都是通过对倒立摆控制来实现的；应用上，倒立摆广泛应用于控制理论研究、航空航天控制、机器人、杂技顶杆表演等领域，在自动化领域中具有重要的价值。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。 本文在阐述了倒立摆研究背景之后，利用拉格朗日建模方法推导出直线一级倒立摆系统的数学模型，然后对其进行局部线性化，并由此推导出了系统的状态方程。接下来采用能量反馈的方法进行倒立摆的起摆控制，在平衡点附近切换并采用现代控制理论中的状态空间极点配置及线性二次型最优控制以实现稳定控制。对系统设计控制器，并进行了仿真，确定了控制器的各个参数。最后编写控制软件分别在SimulinkReal-Time Workshop与Visual C++6.0环境下实现了实时控制。仿真和实时控制结果表明该方法对单级直线倒立摆系统的起摆与稳定控制具有很好的效果。同时可以看到利用拉格朗日建模方法在实现倒立摆的稳定控制时(其数学模型中不含小车质量及小车与导轨间摩擦系数之参数)可以不依赖实际系统中某些参数的精确性。

目录

文摘

英文文摘

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第一章绪论

1.1倒立摆研究背景

1.1.1倒立摆系统控制目标

1.1.2倒立摆的实际应用

1.1.3倒置系统研究理论价值

1.1.4倒立摆常见类型

1.2倒立摆控制方法与建模方法

1.2.1倒立摆控制方法

1.2.2倒立摆的建模方法

1.3应用与发展前景

1.4本课题的研究内容

第二章倒立摆系统的总体结构及其硬件框图

2.1直线倒立摆系统的总体结构

2.1.1系统组成

2.1.2倒立摆本体

2.1.3电控箱及其控制平台主要组成部分

2.2直线倒立摆控制系统硬件框图

第三章一级倒立摆的拉格朗日方法建模

3.1拉格朗日数学方程原理

3.1.1惯性力与质点的达朗伯原理

3.1.2虚位移原理

3.1.3拉格朗日方程

3.2倒立摆数学模型推导

3.3系统可控性分析

第四章倒立摆的起摆控制

4.1起摆过程分析

4.2摆起的能量控制策略

第五章倒立摆的稳定控制

5.1倒立摆的稳定控制方案比较

5.1.1模糊控制方法

5.1.2神经网络控制

5.1.3 PID控制

5.1.4状态空间极点配置

5.1.5线性二次型最优控制(LQR)

5.2基于线性二次最优控制实现倒立摆的稳定控制

5.2.1线性二次最优控制基本原理及分析

5.2.2 LQR控制参数调节及仿真

第六章倒立摆的切换控制策略及实时控制

6.1切换控制策略

6.2倒立摆系统的实时控制

6.2.1 Simulink环境介绍

6.2.2 Inverted Pendulum Toolbox工具箱的设计

6.2.3 Simulink Real-Time Workshop实时控制

6.3控制结果

第七章倒立摆控制系统的软件设计

7.1控制系统软件主流程

7.2功能模块说明

7.2.1初试化部分

7.2.2 WINDOWS系统下中断处理

7.2.3控制算法模块

7.3控制界面

7.4控制效果与结果分析

第八章结束语

参考文献

致谢

攻读学位期间主要的研究成果

附录