基于单片机的倒立摆控制系统设计与实现

摘要

倒立摆是一个具有多变量、高阶、非线性、强耦合等系统特性的本征不稳定系统，是高校自动控制类专业实验室进行验证性、设计性、综合性和研究创新性实验、课程设计、毕业设计和科学研究的理想实验设备，因此，进行倒立摆控制系统的应用研究，对提高高校实验教学水平，拓展实验研究领域，具有十分重要的意义。 本论文的主要目标是研究和设计更具有小型化、模块化和多功能组合的环型倒立摆控制系统实验装置，实现并通过多种方式的模拟／数字控制器组成的计算机控制系统，来控制环型倒立摆的平衡，完成各种典型控制算法验证和先进控制算法的研究与验证。论文中用到经典控制理论、线性控制理论和模糊控制理论。 本论文首先阐述了倒立摆稳定控制的意义、研究发展过程和现状，设计了倒立摆控制系统组成结构，并根据倒立摆控制性能的要求，对倒立摆控制系统的各单元电路进行了分析和设计，包括：角位移一电信号转换电路、倒立摆状态观测器电路、模拟控制器电路、基于MCS-51单片机数字控制器电路和倒立摆PWM功放电路，并对控制系统的优化方案进行了讨论，完成基于MCS-5l单片机的数字控制器的控制系统的硬件电路和软件的联机调试。 论文中以环型一级、二级倒立摆系统的数学建模为基础，利用MATLAB对倒立摆的运动特性进行了仿真，并对倒立摆系统的稳定控制策略进行了多方位的研究，完成大量的仿真研究工作，得出各种控制策略的控制效果和结论。 最后，对本论文进行了总结，对下一步要进行的工作提出了自己的设想。 本论文的完成，以完善高校控制类相关专业实验教学内容、提高实验研究水平为目标，进行了倒立摆系统的多方位控制实验研究，取得一定成果。论文以一定的理论为基础，既有实际控制系统设计过程，又有系统控制策略研究与仿真，而且研究对象相当典型，因此，本课题有重大的理论意义和实际意义。

目录

文摘

英文文摘

原创性声明及关于学位论文使用授权说明

第一章绪论

第二章倒立摆控制系统的硬件设计

第三章基于MCS-51控制器算法的软件设计与实现

第四章倒立摆的控制策略研究与仿真

第五章系统实验及结果分析

第六章结论与展望

参考文献

致谢

攻读学位期间主要的研究成果