直线小车倒立摆自适应控制器设计开题报告

xx大学本科学生毕业设计（论文）附件附件B：开题报告B1附件B：毕业设计（论文）开题报告—直线小车倒立摆自适应控制器设计1课题的目的及意义1.1研究背景倒立摆控制系统是一个复杂的、不稳定的、非线性系统，是进行控制理论教学及开展各种控制实验的理想实验平台。对倒立摆系统的研究能有效的反映控制中的许多典型问题：如非线性问题、鲁棒性问题、镇定问题、随动问题以及跟踪问题等。通过对倒立摆的控制，用来检验新的控制方法是否有较强的处理非线性和不稳定性问题的能力。同时，其控制方法在军工、航天、机器人和一般工业过程领域中都有着广泛的用途，如机器人行走过程中的平衡控制、火箭发射中的垂直度控制和卫星飞行中的姿态控制等。倒立摆是机器人技术、控制理论、计算机控制等多个领域、多种技术的有机结合，其被控系统本身又是一个绝对不稳定、高阶次、多变量、强耦合的非线性系统，可以作为一个典型的控制对象对其进行研究。最初研究开始于20世纪50年代，麻省理工学院（MIT）的控制论专家根据火箭发射助推其原理设计出一级倒立摆实验设备。近年来，新的控制算法不断出现，人们试图通过倒立摆这样一个典型的控制对象，检验新的控制算法是否有较强的处理多变量、非线性和绝对不稳定系统的能力，从而从中找出最优秀的控制方法。倒立摆系统作为控制理论研究中的一种比较理想的实验手段，为自动控制理论的教学、试验和科学构建一个良好的试验平台，以用来检验某种控制理论或方法的典型方案，促进了控制系统新理论、新思想的发展。由于控制理论的广泛应用，由此系统产生的方法和技术将在半导体及精密仪器加工、机器人控制技术、人工智能、导弹拦截控制系统、航空对接技术、火箭发射中的垂直度控制、卫星飞行中的姿态控制和一般工业应用等方面具有广阔的利用开发前景。平面倒立摆可以比较真实地模拟火箭的飞行控制和步行机器人的稳定控制等方面的研究。1.2国内外的研究现状由于倒立摆系统是一个强耦合的非线性系统，因此目前国内外学者大都致力于应用非线性控制方法对其进行有效控制.。第一种是应用Lie理论对单极倒立摆系统进行局部线性化，并采用能量反馈的方法对其进行了起摆控制；第二种是对单极倒立摆系统设计了基于模糊模型的自适应控制算法具有一定的有效性；第三xx大学本科学生毕业设计（论文）附件附件B：开题报告B2种是应用模糊滑模控制方法研究了单极倒立摆系统的鲁棒稳定控制问题；第四种针对单极倒立摆系统设计了单输入单输出非线性系统状态观测器，然后基于观测器设计控制器并取得一定的控制效果；最后滑模控制方法是非线性系统控制常采用的一种鲁棒控制方法，将其用于倒立摆的鲁棒控制也具有很好的效果。2课题任务、重点研究内容、实现途径2.1课题任务课题在固高直线倒立摆装置基础上，研究自适应控制策略。具体任务是：在力学基础上建立直线一级倒立摆模型；学习一种自适应控制算法；研究算法在倒立摆控制中的应用；研究算本法的simulink仿真方法；设计相应的控制器，通过实验实现这一控制。2.2重点研究内容及实现途径2.2.1模型建立对于倒立摆系统，由于其本身是自不稳定的系统，实验建模存在一定的困难。但是忽略掉一些次要因素后，倒立摆系统就是一个典型的运动的刚体系统，可以在惯性坐标系内应用经典力学理论建立系统的动力学方程。FmlmlsbsmMsincos)(2（2.1）0cossin)(2smlmglmlI（2.2)系统状态空间方程为uxbxaxxxxxxx33424321cos010sin0（2.3）其中，gla43，lb432.2.2非线性系统镇定问题如果一个非线性系统可以通过坐标非奇异变换和状态反馈，即可以输入-状态线性化，将其显式的表示为可控线性系统的结构形式，线性系统控制理论中的一些方法就可以被应用，那么系统镇定器的设计就变得容易。当系统相对阶为r(0rn)时，系统不能实现输入-状态线性化，使vyn)(成立，但可以实现输入-输出线性化，使vyr)(成立。倒立摆系统阶数为4，相对阶为2，那么就可以通过非奇异坐标变换xx大学本科学生毕业设计（论文）附件附件B：开题报告B3)()()(xTxxz(2.4)其中，221)()()(Rxxx，2)()()(RxhLxhxf将系统转化为部分输入-状态线性化。2.2.3非线性及非最小相位系统控制器设计通过非奇异坐标变换可以看出，该倒立摆系统为非最小相位系统，可利用Backstepping递归设计方法设计该非线性及非最小相位系统的自适应控制器。2.2.4算法的simulink仿真及实体试验在simulink上进行算法仿真并在实体倒立摆上进行试验，观察控制效果。3进度计划序号起止周次工作内容1第一周至第二周查找资料，熟悉倒立摆模型及其相关算法2第三周至第六周设计一种自适应算法及控制器3第七周至第八周研究算法的simulink仿真方法4第九周至第十周在倒立摆上实验，观察控制效果5第十一周至第十二周总结分析实验结果并整理成毕业论文6第十三周至第十五周准备毕业设计答辩学生签名：年月日4、指导教师意见指导教师签名：年月日xx大学本科学生毕业设计（论文）附件附件B：开题报告B4说明：1、开题报告应根据教师下发的毕业设计（论文）任务书，在教师的指导下由学生独立撰写，在毕业设计（论文）开始后两周内完成。2、本页不够，请加页。