基于模糊控制的二级倒立摆控制系统的研究

摘要

倒立摆系统作为典型的快速、多变量、非线性、绝对不稳定、非最小相位系统，一直是控制领域研究的热点。它不但是验证现代控制理论方法的典型实验装置，而且其控制方法和思路对处理一般工业过程亦有广泛的用途。因此，在许多著名大学的控制系中，倒立摆都被当作很重要的实验装置。 自1965年美国教授查德(L.A.Zadeh)提出了模糊集合的概念以来，模糊数学得到了长足的发展，在理论和应用中取得了令人刮目的成果。模糊数学的应用领域涉及自动控制、航空航天、交通管理、决策评价、企业管理和社会经济等很多方面。模糊控制是模糊集合理论应用的一个重要方面。1974年，英国教授马丹尼(E.H.Mamdani)首先将模糊集合理论应用于加热器的控制中，随后模糊控制技术得到了广泛的应用。 关于倒立摆的研究有两个问题：一是如何快速使得倒立摆从初始位置达到工作位置的摆起控制；二是在工作平衡点的稳定控制问题。本文首先分析了倒立摆研究的发展状况、发展方向及意义，接着对二级倒立摆物理结构做了详尽的分析，利用拉格朗日方程获得了二级倒立摆的数学模型，为设计二级倒立摆的模糊控制系统提供了较为精确的对象。 本文从模糊控制的基础理论知识出发，对模糊控制器的设计方法和模糊控制的实现方法进行了分析和研究，特别是对基于单片机的模糊控制系统的实现方法进行了研究。在此基础上，根据二级倒立摆的特点，提出了基于单片机的二级倒立摆的模糊控制方法，并用Maltab/Simulink对二级倒立摆的模糊控制系统进行了仿真，得到了满意的结果，并实现了一级倒立摆的实物控制。 微机控制系统的抗干扰设计是测控系统设计的重要环节，抗干扰能力是衡量一个系统质量好坏的一个重要指标，也是微机控制系统能否正常工作的保证。本控制系统在研制过程中也遇到了干扰问题，为此采取了相应的措施，除了采用硬件的抗干扰设计外，还结合软件的抗干扰设计，增强了系统的可靠性，满足了系统的设计技术指标要求。

目录

文摘

英文文摘

中国民用航空学院学位论文独创声明及使用授权声明

第一章概述

1.1倒立摆研究的发展状况及其方向

1.2倒立摆系统研究的意义

1.3二级倒立摆的数学模型

第二章模糊理论基础及模糊控制

2.1模糊数学基本概念

2.1.1模糊集合的概念

2.1.2模糊集合表示方法

2.1.3隶属函数

2.1.4模糊集合的运算

2.2模糊关系与模糊矩阵

2.2.1模糊关系的定义及表示

2.2.2模糊关系矩阵的运算

2.3模糊逻辑与模糊推理

2.3.1模糊逻辑及其基本运算

2.3.2模糊推理

2.3.3模糊控制规则的优化

第三章模糊控制器的设计及其算法实现

3.1模糊控制器

3.2模糊控制器的结构

3.3模糊控制器的设计

3.4模糊控制规则的合理调整及其特性

3.5模糊控制算法的实现

3.6二级倒立摆模糊控制器的设计及算法实现

3.7 Simulink仿真及其结果

第四章系统的硬件设计

4.1系统的组成

4.2系统供电电源电路设计

4.3系统的输入通道设计

4.4系统的输出通道设计

第五章系统的软件设计

5.1软件总体结构

5.2主程序

5.3中断处理子程序

5.4数据采集及处理子程序

第六章系统的抗干扰设计

6.1微机系统的主要干扰渠道

6.2抗干扰措施

6.3印刷电路板的抗干扰设计

6.4 WATCHDOG技术

结 论

致谢

参考文献

作者简介

文中部分元器件符号与国标符号对照表