基于matlab的倒立摆设计.

摘要....................................................................IAbstract.................................................................II第一章绪论..............................................................11.1倒立摆的研究背景...................................................11.2国内外现状.........................................................21.3应解决的问题和技术要求.............................................21.4工作内容...........................................................3第二章MATLAB仿真软件及应用..............................................42.1MATLAB软件的基本介绍..............................................42.1.1软件概述.....................................................42.1.2软件的构成部分...............................................52.2MATLAB的仿真......................................................5第三章倒立摆系统及数学建模..............................................73.1倒立摆系统的组成..................................................73.1.1系统组成及分类...............................................73.1.2倒立摆的控制方法.............................................73.1.3实验设备简介.................................................83.2模型的建立.........................................................93.2.1模型的推导原理...............................................93.2.2直线一级倒立摆数学模型的推导.................................93.2.4采用MATLAB语句形式进行仿真.................................15第四章PID控制理论......................................................174.1PID控制概述......................................................174.2PID的控制规律...................................................184.3PID控制原理的特点................................................204.4PID参数的调整....................................................20第五章直线一级倒立摆的PID设计及仿真....................................225.1PID控制器的设计..................................................225.1.1PID控制系统设计原理........................................225.2PID控制器设计MATLAB仿真.........................................255.2.1摆杆角度控制算法仿真........................................255.2.2小车位置控制算法仿真........................................285.2.3结果分析....................................................29总结.....................................................................30致谢.....................................................................31参考文献.................................................................32I摘要自动控制原理（包括经典部分和现代部分）是电气信息工程学院学生的一门必修专业基础课，课程中的一些概念相对比较抽象，如系统的稳定性、可控性、收敛速度和抗干扰能力等。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，对倒立摆系统的研究在理论上和方法上都有深远的意义。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。本设计以倒立摆为控制对象，设计PID控制器，利用Matlab软件对倒立摆模型的响应进行仿真，分析控制器参数对倒立摆响应的影响。关键词：一级倒立摆；PID控制器；MATLAB仿真IIAbstractAutomaticcontroltheory(includingclassicalpartsandmodernparts)isacompulsoryspecializedfundamentalcourseofthestudentsmajoredinelectricalengineering.Someofthecurriculumconceptisrelativelyabstract,suchasthestability,controllability,convergencerateandtheanti-interferenceabilityofsystem.Thecontrolofinvertedpendulumsystemisanonlinearcomplex,unstable,system,iscontroltheoryteachingandcarryoutidealexperimentalplatformofvariouscontrolexperiments.Theresearchoninvertedpendulumsystemcanreflecttheeffectivecontrolofmanytypicalproblemsinnonlinearproblems:suchas,robustness,stabilizationproblem,thedynamicproblemandthetrackingproblemtoinvertedpendulumintheoryandmethodsontheresearchisofprofoundsignificance.Throughthecontroloftheinvertedpendulum,abilitytotestwhetherthenewcontrolmethodhasthestrongnonlinearandinstabilityproblem.Thedesignoftheinvertedpendulumasacontrolobject,thedesignofPIDcontroller,theresponseoftheinvertedpendulummodelbyusingMatlabsoftwaresimulation,analysisoftheimpactoftheresponseparametersofcontrolleroftheinvertedpendulum.Keywords:First-orderinvertedpendulum；PIDcontroller；MATLABsimulation1第一章绪论这一章内容主要包括：毕业设计课题的背景、目的、意义；国内外发展现状（主要进行文献综述）；应解决的主要问题及应达到的技术要求；本设计的基本理论依据和主要工作内容；各章节的安排。1.1倒立摆的研究背景倒立摆源于20世纪50年代，是一个典型的非线性、高阶次、多变量、强耦合、不稳定的动态系统，能有效地反映诸如稳定性、鲁棒性等许多控制中的关键问题，是检验各种控制理论的理想模型。很多被控对象都可以抽象成为倒立摆模型，在很多领域有着广泛的应用，如机器人，航天领域等。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。倒立摆常规的控制算法如LQR在倒立摆的控制中已被广泛采用，模糊控制作为一种智能控制的方法，在一定程度上模仿了人的控制，它不需要有准确的控制对象模型，作为一种非线性智能控制方法，已在多变量、时变、非线性系统的控制中发挥了重要的作用。人们已利用多种控制策略实现了一至四级倒立摆系统的稳定控制。对于倒立摆系统的稳定控制，具有重要的理论意义和重要的工程实践意义。事实上,人们一直在试图寻找不同的控制方法来实现对倒立摆的控制,以便检查或说明该方法对严重非线性和绝对不稳定系统的控制能力。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。故其研究意义广泛。倒立摆的研究具有重要的工程背景：(1)机器人的站立与行走类似双倒立摆系统，尽管第一台机器人在美国问世至今已有三十年的历史，机器人的关键技术——机器人的行走控制至今仍未能很好解决。(2)在火箭等飞行器的飞行过程中，为了保持其正确的姿态，要不断进行实时控制。(3)通信卫星在预先计算好的轨道和确定的位置上运行的同时，要保持其稳定的姿态，使卫星天线一直指向地球，使它的太阳能电池板一直指向太阳。(4)侦察卫星中摄像机的轻微抖动会对摄像的图像质量产生很大的影响，为了提高摄像的质量，必须能自动地保持伺服云台的稳定，消除震动。(5)为防止单级火箭在拐弯时断裂而诞生的柔性火箭(多级火箭)，其飞行姿态的控制也可以用多级倒立摆系统进行研究。由于倒立摆系统与双足机器人，火箭飞行控制和各类伺服云台稳定有很大相似性，因此对倒立摆控制机理的研究具有重要的理论和实2践意义。对倒立摆这样的一个典型被控对象进行研究，无论在理论上和方法上都具有重要意义。不仅由于其级数增加而产生的控制难度是对人类控制能力的有力挑战，更重要的是实现其控制稳定的过程中不断发现新的控制方法，探索新的控制理论，并进而将新的控制方法应用到更广泛的受控对象中。各种控制理论和方法都可以在这里得以充分实践，并且可以促成相互间的有机结合。1.2国内外现状国内，在倒立摆系统实