直線倒立擺的穩(wěn)定控制算法設(shè)計(jì)開題報(bào)告.doc

畢業(yè)設(shè)計(jì)(論文)開題報(bào)告題目：直線倒立擺的穩(wěn)定控制算法設(shè)計(jì)系別機(jī)電信息系專業(yè)機(jī)械設(shè)計(jì)制造及其自動(dòng)化班級(jí)姓名學(xué)號(hào)導(dǎo)師2012年12月17日-1-1.畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）綜述（題目背景、研究意義及國內(nèi)外相關(guān)研究情況）1.1題目背景和研究意義在控制理論發(fā)展的過程中，某一理論的正確性及在實(shí)際應(yīng)用中的可行性需要一個(gè)按其理論設(shè)計(jì)的控制器去控制一個(gè)典型對(duì)象來驗(yàn)證這一理論，倒立擺就是這樣一個(gè)被控對(duì)象。倒立擺是一個(gè)多變量、快速、非線性、強(qiáng)藕合、和絕對(duì)不穩(wěn)定的系統(tǒng)，通過對(duì)它引入一個(gè)適當(dāng)?shù)目刂品椒ㄊ怪蔀橐粋€(gè)穩(wěn)定系統(tǒng)，來檢驗(yàn)控制方法對(duì)不穩(wěn)定、非線性和快速性系統(tǒng)的處理能力；而且在倒立擺的控制過程中，它能有效地反映諸如可鎮(zhèn)定性、魯棒性、隨動(dòng)性以及跟蹤性能等許多自動(dòng)控制領(lǐng)域中的關(guān)鍵問題,因此受到世界各國許多科學(xué)家的重視，用不同的控制方法控制不同類型的倒立擺，成為最具有挑戰(zhàn)性的課題之一。1對(duì)倒立擺系統(tǒng)的研究不僅僅在其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、原理清晰、易于實(shí)現(xiàn)等特點(diǎn)，而且作為典型的多變量系統(tǒng)，可采用實(shí)驗(yàn)來研究控制理論中許多方面的問題。諸如:模型的建立、狀態(tài)反饋、觀測(cè)器理論、快速控制理論以及濾波理論等都可以用于這類系統(tǒng)。另一方面對(duì)系統(tǒng)的研究也比較有實(shí)用價(jià)值，從日常生活中所見的任何重心在上、支點(diǎn)在下的控制問題，到空間飛行器和各類伺服云臺(tái)的穩(wěn)定，都和倒立擺的控制有很大的相似性，故對(duì)其的穩(wěn)定控制在實(shí)際中有很多用場(chǎng)，如海上鉆井平臺(tái)的穩(wěn)定控制、衛(wèi)星發(fā)射架的穩(wěn)定控制、火箭姿態(tài)控制、飛機(jī)安全著陸、機(jī)器人雙足行走機(jī)構(gòu)、化工過程控制等都屬這類問題。倒立擺的研究不僅有其深刻的理論意義，還有重要的工程背景。在多種控制理論與方法的研究和應(yīng)用中，特別是在工程實(shí)踐中，也存在一種可行性的試驗(yàn)問題，控制理論在當(dāng)前的工程技術(shù)界，主要是如何面向工程實(shí)際、面向工程應(yīng)用的問題。一項(xiàng)工程的實(shí)施也存在一種可行性的試驗(yàn)問題，用一套較好的、較完備的試驗(yàn)設(shè)備，將其理論及方法進(jìn)行有效的檢驗(yàn)，倒立擺可為此提供一個(gè)從控制理論通往實(shí)踐的橋梁。在穩(wěn)定性控制問題上，倒立擺既具有普遍性又具有典型性。倒立擺的典型性在于，倒擺系統(tǒng)作為一個(gè)控制裝置，它結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、價(jià)格低廉，便于模擬和數(shù)字多種不同的方式控制，通過引入適當(dāng)?shù)目刂品绞绞怪蔀橐粋€(gè)穩(wěn)定的系統(tǒng)。倒立擺系統(tǒng)可以用多種理論和方法來實(shí)現(xiàn)其穩(wěn)定控制，如PID、自適應(yīng)、狀態(tài)反饋、智能控制、模糊控制及人工神經(jīng)元網(wǎng)絡(luò)等多種理論和方法，都能在倒立擺系統(tǒng)控制上得到實(shí)現(xiàn)，而且當(dāng)一種新的控制理論和方法提出以后，在不能用理論加以嚴(yán)格證明時(shí)，可以考慮通過倒立擺裝置來驗(yàn)證其正確性和實(shí)用性。2倒立擺的研究具有重要的工程背景：（1）機(jī)器人的站立與行走類似雙倒立擺系統(tǒng)，盡管第一臺(tái)機(jī)器人在美國問世至今已有三十年的歷史，機(jī)器人的關(guān)鍵技術(shù)機(jī)器人的行走控制至今仍未能很好解決。-2-（2）在火箭等飛行器的飛行過程中，為了保持其正確的姿態(tài)，要不斷進(jìn)行實(shí)時(shí)控制。（3）通信衛(wèi)星中在預(yù)先計(jì)算好的軌道和確定的位置上運(yùn)行的同時(shí)，要保持其穩(wěn)定的姿態(tài)，使衛(wèi)星天線一直指向地球，使它的太陽能電池板直指向太陽。（4）為防止單級(jí)火箭在拐彎時(shí)斷裂而誕生的柔性火箭（多級(jí)火箭），其飛行姿態(tài)的控制也可以用多級(jí)倒立擺系統(tǒng)進(jìn)行研究。（5）偵察衛(wèi)星中攝像機(jī)的輕微抖動(dòng)會(huì)對(duì)攝像的圖象質(zhì)量產(chǎn)生很大的影響，為了提高攝像的質(zhì)量，必須能自動(dòng)地保持伺服云臺(tái)的穩(wěn)定，消除震動(dòng)。1.2國內(nèi)外相關(guān)研究情況倒立擺系統(tǒng)研究最早始于上世紀(jì)50年代，麻省理工學(xué)院機(jī)電工程系的控制論專家根據(jù)火箭發(fā)射助推器原理設(shè)計(jì)出一級(jí)倒立擺實(shí)驗(yàn)裝置。正式提出倒立擺概念的是60年代后期。在此基礎(chǔ)上，世界各國專家和學(xué)者對(duì)倒立擺進(jìn)行了拓展，產(chǎn)生了直線二級(jí)倒立擺、三級(jí)倒立擺、多級(jí)倒立擺、柔性直線倒立擺、環(huán)形倒立擺、平面倒立擺、環(huán)形并聯(lián)多級(jí)倒立擺以及斜坡倒立擺等實(shí)驗(yàn)設(shè)備，并用不同的控制方法對(duì)其進(jìn)行了控制。1976年Morietc首先把倒立擺系統(tǒng)在平衡點(diǎn)附近線性化，利用狀態(tài)空間方法設(shè)計(jì)比例微分控制器實(shí)現(xiàn)了一級(jí)倒立擺的穩(wěn)定控制。1984年，F(xiàn)uruta等人應(yīng)用最優(yōu)狀態(tài)調(diào)節(jié)器理論首次實(shí)現(xiàn)雙電機(jī)三級(jí)倒立擺實(shí)物控制。380年代后期開始，較多的研究了倒立擺系統(tǒng)中的非線性特性，提出了一系列的基于非線性分析的控制策略，1993年，Wiklund等人應(yīng)用基于李亞普諾夫的方法控制了環(huán)形一級(jí)倒立擺。41997年，Gordill比較了LQR方法和基于遺傳算法的控制方法，結(jié)論是傳統(tǒng)控制方法比遺傳算法控制效果更好。采用留優(yōu)遺傳算法，以被控系統(tǒng)的動(dòng)能積分為性能指標(biāo)實(shí)現(xiàn)對(duì)倒立擺控制算法的參數(shù)尋優(yōu)。5國內(nèi)對(duì)倒立擺的研究始于80年代，三級(jí)倒立擺及多級(jí)倒立擺的研究也取得了很大進(jìn)展，不僅在系統(tǒng)仿真方面，而且在實(shí)物實(shí)驗(yàn)中，都出現(xiàn)了控制成功的范例。尹征琦等成功的以模擬的降維觀測(cè)器實(shí)現(xiàn)了二級(jí)倒立擺的控制。6梁任秋等針對(duì)二級(jí)倒立擺系統(tǒng)給出了三種實(shí)用的數(shù)字控制器和降維觀測(cè)器。1994年，北京航空航天大學(xué)教授張明廉將人工智能與自動(dòng)控制理論相結(jié)合，提出“擬人智能控制理論”，實(shí)現(xiàn)了用單電動(dòng)機(jī)控制三級(jí)倒立擺實(shí)物以及后來實(shí)現(xiàn)對(duì)二維單倒立擺控制。張乃堯等用雙閉環(huán)模糊控制方法對(duì)倒立擺進(jìn)行了控制。李祖樞等人利用仿人智能控制理論研究了二級(jí)倒立擺的起擺和控制問題。2002年實(shí)現(xiàn)了四級(jí)倒立擺實(shí)物控制。2005年，羅成等人實(shí)現(xiàn)了五級(jí)倒立擺的控制。72.本課題研究的主要內(nèi)容和擬采用的研究方案、研究方法或措施2.1本課題研究的主要內(nèi)容本論文的主要工作是設(shè)計(jì)直線倒立擺系統(tǒng)的機(jī)械本體部分，并分別進(jìn)行PID、-3-線性二次最優(yōu)控制、狀態(tài)空間極點(diǎn)配置的比較，用Matlab對(duì)一級(jí)、二級(jí)、三級(jí)倒立擺控制系統(tǒng)進(jìn)行了仿真，驗(yàn)證了設(shè)計(jì)的可行性。具體內(nèi)容如下:(l)詳細(xì)論述一級(jí)、二級(jí)、三級(jí)直線倒立擺數(shù)學(xué)建模方法，推導(dǎo)出他們的微分方程，以及線性化后的狀態(tài)方程。(2)分析倒立擺系統(tǒng)的控制方法。分別用現(xiàn)代控制理論及經(jīng)典控制理論對(duì)一級(jí)倒立擺把位置控制和角度控制串聯(lián)起來控制倒立擺系統(tǒng)。利用matlab仿真系統(tǒng)，比較各個(gè)控制系統(tǒng)在控制一階、二級(jí)、三級(jí)倒立擺的時(shí)候的優(yōu)缺點(diǎn)，討論出現(xiàn)的問題及解決方法。(3)設(shè)計(jì)繪制直線倒立擺的裝配圖。2.2本課題擬采用的設(shè)計(jì)方案倒立擺的控制問題就是使擺桿盡快地達(dá)到一個(gè)平衡位置，并且使之沒有較大的振蕩和過大的角度和速度。當(dāng)擺桿到達(dá)期望的位置后，系統(tǒng)能克服隨機(jī)擾動(dòng)而保持穩(wěn)定的位置。倒立擺的機(jī)械部分由上位機(jī)作為控制界面的輸出，通過上位機(jī)對(duì)倒立擺系統(tǒng)的仿真過程進(jìn)行參數(shù)的選改，運(yùn)動(dòng)控制卡進(jìn)行電機(jī)反饋和角度編碼器的反饋計(jì)算，并將參數(shù)的反饋發(fā)送到電機(jī)驅(qū)動(dòng)器，進(jìn)而控制電機(jī)輸出.。直線倒立擺系統(tǒng)機(jī)械本體部分的動(dòng)力部分由電機(jī)直接輸出，作為一般的機(jī)電系統(tǒng)，針對(duì)倒立擺的系統(tǒng)要求的響應(yīng)快、傳動(dòng)精度高、穩(wěn)定性好等特性，電機(jī)選擇小慣量的步進(jìn)電機(jī)或者伺服電機(jī)?？刂瓶ㄆ诵膭t選用高性能數(shù)字處理器，以滿足系統(tǒng)的高階響應(yīng)特性。方案1：伺服電機(jī)+光電編碼器+PLD+鏈條優(yōu)點(diǎn)：閉環(huán)控制、精度高缺點(diǎn)：結(jié)構(gòu)復(fù)雜方案2：步進(jìn)電機(jī)+旋轉(zhuǎn)式編碼器+單片機(jī)+同步帶優(yōu)點(diǎn)：精度高、響應(yīng)快、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單缺點(diǎn)：電機(jī)有可能產(chǎn)生失步，摩擦力大方案3：交流伺服電機(jī)+光電式編碼器+DSP優(yōu)點(diǎn)：精度高、響應(yīng)快、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單缺點(diǎn)：價(jià)格高選用方案2具有高響應(yīng)、高穩(wěn)態(tài)、高加速度的電機(jī)來驅(qū)動(dòng)倒立擺，有很好的控制效果；具有位置和角度同時(shí)需要控制的特點(diǎn)，是一個(gè)很好的用于驗(yàn)證控制理論的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)。對(duì)于控制器的設(shè)計(jì)，本文通過研究PID控制器的控制偏差，控制規(guī)律和它的控制原理來實(shí)現(xiàn)PID控制算法仿真。LQR控制需要求解Riccati方程和確定Q和R權(quán)矩陣實(shí)現(xiàn)算法仿真。狀態(tài)空間極點(diǎn)配置法通過設(shè)計(jì)狀態(tài)反饋控制器將多變量系統(tǒng)的閉環(huán)系-4-統(tǒng)極點(diǎn)配置在期望的位置上，從而使系統(tǒng)滿足瞬態(tài)和穩(wěn)態(tài)性能指標(biāo)。3.本課題研究的重點(diǎn)及難點(diǎn)，前期已開展工作3.1研究的重點(diǎn)及難點(diǎn)本課題研究的重點(diǎn)主要是設(shè)計(jì)直線倒立擺的機(jī)械本體部分，研究直線單級(jí)倒立擺系統(tǒng)的PID控制算法、LQR控制算法和，同時(shí)利用MATLAB仿真分析這三種算法的優(yōu)缺點(diǎn)，討論出現(xiàn)的問題及解決方法。難點(diǎn)是在運(yùn)用MATLAB的過程中對(duì)源程序代碼的編程以及對(duì)整個(gè)系統(tǒng)的穩(wěn)定性分析。4.完成本課題的工作方案及進(jìn)度計(jì)劃（按周次填寫）（1）01-03周：查閱資料，了解國內(nèi)外倒立擺系統(tǒng)和實(shí)驗(yàn)設(shè)備現(xiàn)狀，針對(duì)倒立擺學(xué)習(xí)相關(guān)知識(shí)，初步制定倒