一级倒立摆LQR控制器的设计..

目录0.前言.........................................................................................................................20.1倒立摆......................................................................................................................20.2LQR...........................................................................................................................70.3.最优控制（optimalcontrol）.................................................................................70.3.1数学角度........................................................................................................80.3.2研究方法........................................................................................................81.线性二次最优控制LQR基本理论.......................................................................81.1一级倒立摆建模......................................................................................................81.2微分方程模型........................................................................................................121.3传递函数模型........................................................................................................121.4状态空间数学模型................................................................................................131.5LQR控制器的二次最优控制原理........................................................................142.方案设计.................................................................................................................153.软件编程.................................................................................................................163.1求K值程序...........................................................................................................163.2系统的开环阶跃响应程序....................................................................................173.3小车的状态程序....................................................................................................174.系统调试和结果分析.............................................................................................184.1得出K值...............................................................................................................184.2系统的开环阶跃响应结果....................................................................................194.3实际连接................................................................................................................19沈阳航空航天大学课程设计论文一级倒立摆LQR控制器的设计第2页一级倒立摆LQR控制器的设计摘要：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。从理论和实践上对线性一级倒立摆作了深入的研究。首先,用拉格朗日方法建立了倒立摆的数学模型。在此基础上采用线性二次型最优控制方法设计了倒立摆的控制器。最后通过MATLAB仿真和实际系统实验，实现对倒立摆的稳定控制。通过试验验证了设计结果并给出了控制器的性能评价。建立模型，确定参数，进行控制算法设计、系统调试和分析等步骤实现。关键词：倒立摆；建模，LQR控制器0.前言0.1倒立摆倒立摆系统是理想的自动控制教学实验设备，使用它能全方位的满足自动控制教学的要求。许多抽象的控制概念如系统稳定性、可控性、系统收敛速度和系统抗干扰能力等，都可以通过倒立摆直观的表现出来。倒立摆最初研究开始于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器原理设计出一级倒立摆实验设备，而后人们又参照双足机器人控制问题研制二级倒立摆控制设备，从而提高了检验控制理论或方法的能力，也拓宽了控制理论或方法的检验范围。三级倒立摆是由一、二级倒立摆演绎而来，它的实物系统控制实现已经是公认的难题。北京航空航天大学张明廉教授领导的课题组应用“拟人智能控制理论”，于1994年8月成功地实现单电机控制的三级倒立摆。这一成功，证实了“拟人智能控制理论”的正确性，并表明了在没有精确数学模型和不需要推理机的前提下，对一类复杂被控对象是可以控制的。三级倒立摆控制的成功，对空间运动体的控制有直接参考价值。北师大模糊系统与模糊信息研究中心暨复杂系统智能控制实验室采用李洪兴教授提出的“变论域自适应模糊控制”理论，成功地实现了四级倒立摆控制仿真实验，并于2002年8月11日实现了全球首例四级倒立摆实物系统控制。而由此项理论产生的方法和技术将在半导体及精密仪器加工、机器人技术、导弹拦截控制系统、航空器对接控制技术等方面具有广阔的开发利用前景。沈阳航空航天大学课程设计论文一级倒立摆LQR控制器的设计第3页：沈阳航空航天大学课程设计论文一级倒立摆LQR控制器的设计第4页各级倒立摆简介如下:0.1.1单级摆：结构相对简单，控制相对容易，控制算法比较简单。适合本科生实验教学。0.1.2二级摆：结构相对复杂，控制难度相对大，控制算法也相对复杂。可适合于研究生实验教学需要，也可以作为专业教师研究新型的控制算法之用。0.1.3三级摆：结构复杂，控制难度大，控制算法复杂。主要适于理论研究、实验仿真之用。0.1.4四级摆:比三级倒立摆更复杂。主要适用于半导体及精密仪器加工、机器人技术、导弹拦截控制系统、航空器对接控制技术等方面。此前，实现的一级至四级倒立摆均为直线运动倒立摆。直线运动倒立摆实现的是在一个平面上的摆动，轨道较长、传动环节较多、占地空间较大，实践中常常由于传动机构的故障或误差，而不是控制方法本身的问题导致平衡控制失败。随着科学技术的发展，被控对象日趋复杂，对控制性能的要求也日趋提高，直线倒立摆已不能满足复杂系统的需要，由此产生了圆形轨道倒立摆。圆形轨道倒立摆实现了上、下、左、右、前、后任何方向的摆动，与传统的直线轨道倒立摆相比，圆形轨道倒立摆具有控制精度高、功能多、结构紧凑、性价比高等优点，所以圆形轨道倒立摆比传统的直线轨道倒立摆更具有竞争力和应用价值。圆形轨道倒立摆实物系统控制的实现要比直线运动倒立摆实物系统控制的实现困难得多；这不仅是因为这样的系统其变量、非线性程度及不稳定性成倍地增加，而且有关机械和电子器件的实现或选用会遇到瓶颈性的困难。因此，圆形轨道倒立摆实物系统是控制领域研究的重要课题之一。倒立摆系统具有模块性好和品种多样化的优点，其基本模块既可是一维直线运动平台或旋转运动平台，也可以是两维运动平台。通过增加角度传感器和一节倒立摆杆，可构成直线单节倒立摆、旋转单节倒立摆或两维单节倒立摆；通过增加两节倒立摆杆和相应的传感器，则可构成两节直线倒立摆和两节旋转倒立摆。倒立摆的控制技巧和杂技运动员倒立平衡表演技巧有异曲同工之处，极富趣味性，学习自动控制课程的学生通过使用它来验证所学的控制理论和算法，加深对所学课程的理解。由于倒立摆系统机械结构简单、易于设计和制造，成本廉价，因此在欧美发达国家的高等院校，它已成为常见的控制教学设备。同时由于倒立摆系统的高阶次、不稳定、多变量、非线性和强耦合特性，许多现代控制理论的研究人员一直将它视为研究对象，并不断从中发掘出新的控制理论和控制方法。因此，倒立摆系统也是进行控制理论研究的理想平台。直线运动型倒立摆外形美观、紧凑、可靠性好。除了为每个子系列提供模块沈阳航空航天大学课程设计论文一级倒立摆LQR控制器的设计第5页化的实现方案外，其控制系统的软件平台采用开放式结构，使学生建立不同的模沈阳航空航天大学课程设计论文一级倒立摆LQR控制器的设计第6页型，验证不同的控制算法，供不同层次的学生进行实验和研究。由于采用了运动控制器和伺服电机进行实时运动控制，以及齿型带传动，固高公司的倒立摆系统还是一个典型的机电一体化教学实验平台，可以用来进行各种电机拖动、定位和速度跟踪控制实验，让学生理解和掌握机电一体化产品的部件特征和系统集成方法。控制理论所涉及的三个基础学科：力学、数学和电学（含计算机）有机的结合起来，在倒立摆系统中进行综合应用。在多种控制理论与方法的研究和应用中，特别是在工程实践中，也存在一种可行性的试验问题，将其理论和方法得到有效的经验，倒立摆为此提供一个从控制理论通往实践的桥梁。控制理论在当前的工程技术界，主要是如何面向工程实际、面向工程应用的问题。一项工程的实施也存在一种可行性的试验问题，用一套较好的、较完备的试验设备，将其理论及方法进行有效的检验，倒立摆可为此提供一个从控制理论通往实践的桥梁。在教学过程中，不但使学生具有扎实的理论基础，还应掌握如何把理论知识应用到一个复杂的实际系统中，进一步达到提高教学质量的目的。在稳定性控制问题上，倒立摆既具有普遍性又具有典型性。倒立摆系统作为一个控制装置，结构简单、价格低廉，便于模拟和数字实现多种不同的控制方法，作为一个被控对象，它是一个高阶次、不稳定、多变量、非线性、强耦合的快速系统，只有采用行