倒立摆专家控制研究毕业设计
(完整版)单级倒立摆毕业设计
缺点：价格稍显昂贵，编程较复杂。
方案三：使用STM32F103内部集成了1μs的双12位ADC，可对角度传感器信号进行采集与处理。硬件电路连接较简单，低功耗，系统运行稳定。最高工作频率72MHz，运算速度较快。STM32引脚如图1-3：
图1-3 STM32引脚图
缺点：价格昂贵，编程复杂。
缺点：扭矩较大，反应动作较慢，价格昂贵。
方案三：采用直流电机，直流电机具有最优越的调速性能，主要表现在调速方便(可无级调速)、调速范围宽、低速性能好、运行平稳、噪音低、效率高的优点。
图1-1 8051引脚图
缺点：51单片内部资源有限，内部没有集成的A/D转换器，在一些需要数据采的应用场合，需要外扩A/D转换器，硬件连接较复杂，给系统设计过程带来不便。
方案二：使用atmega16内部集成了10位A/D转换器，可对角度传感器信号进行采集与处理，还集成了PWM的功能，硬件电路连接较简单，系统运行稳定。运算速度较快。Atmega16简介:ATmega16是基于增强的AVR RISC结构的低功耗8 位CMOS微控制器。由于其先进的指令集以及单时钟周期指令执行时间，ATmega16 的数据吞吐率高达1 MIPS/MHz，从而可以减缓系统在功耗和处理速度之间的矛盾。ATmega16 AVR 内核具有丰富的指令集和32 个通用工作寄存器。所有的寄存器都直接与运算逻单元(ALU) 相连接，使得一条指令可以在一个时钟周期内同时访问两个独立的寄存器。这种结构大大提高了代码效率，并且具有比普通的CISC 微控制器最高至10 倍的数据吞吐率。ATmega16 有如下特点:16K字节的系统内可编程Flash(具有同时读写的能力，即RWW)，512 字节EEPROM，1K 字节SRAM，32 个通用I/O 口线，32 个通用工作寄存器，用于边界扫描的JTAG 接口，支持片内调试与编程，三个具有比较模式的灵活的定时器/ 计数器(T/C),片内/外中断，可编程串行USART，有起始条件检测器的通用串行接口，8路10位具有可选差分输入级可编程增益(TQFP 封装) 的ADC ，具有片内振荡器的可编程看门狗定时器，一个SPI 串行端口，以及六个可以通过软件进行选择的省电模式。工作于空闲模式时CPU 停止工作，而USART、两线接口、A/D 转换器、SRAM、T/C、SPI 端口以及中断系统继续工作；停电模式时晶体振荡器[1]停止振荡，所有功能除了中断和硬件复位之外都停止工作；在省电模式下，异步定时器继续运行，允许用户保持一个时间基准，而其余功能模块处于休眠状态； ADC 噪声抑制模式时终止CPU 和除了异步定时器与ADC 以外所有I/O 模块的工作，以降低ADC 转换时的开关噪声； Standby 模式下只有晶体或谐振振荡器运行，其余功能模块处于休眠状态，使得器件只消耗极少的电流，同时具有快速启动能力；扩展Standby 模式下则允许振荡器和异步定时器继续工作。引脚图如图1-2:
直线型一阶倒立摆毕业设计说明书
直线型一阶倒立摆毕业设计说明书本科学生毕业设计直线型一阶倒立摆设计与制作（控制部分）院系名称：机电工程学院专业班级：机械电子09-2学生姓名：王兴隆指导教师：齐建家职称：讲师黑龙江工程学院二○一三年六月The Graduation Design for Bachelor's DegreeLinear 1--Stage Inverted Pendulum Design and Manufacture（Control Section）Candidate：Wang XinglongSpecialty：Mechanical and ElectronicEngineeringClass：09-2Supervisor：Lecturer Qi JianjiaHeilongjiang Institute of Technology2013-06·Harbin摘要本文首先对倒立摆现阶段的种类、反应的主要控制问题、各个领域上的应用、国内外现状以及现阶段的主要控制方法做了简要的介绍，进而提出了本次设计的任务与要求。
其次是倒立摆系统设计制作。
在硬件设计制作中在能满足控制要求的前提下，主要按照结构简单，价格低廉，功耗低的标准，选择小车各个功能模块的芯片，设计各部分电路的。
本次设计采用ATMEGA16单片机作为小车的控制核心；采用能耗低、性能优越的直流减速电机；采用全球首例整合性6轴运动处理组件MPU6050测量角速度和角加速度。
在此基础上，结合卡尔曼滤波与PID控制算法进行软件程序设计。
最后，小车的软件硬件结合，进行系统的调试，数据记录，结果分析，实现了两轮小车系统的动态自平衡功能。
在车身35cm以下的情况下，整个系统的抗干扰能力很强。
关键词：一阶倒立摆；Atmega16；MPU6050；PID；卡尔曼滤波ABSTRACTIn this article, firstly the brief introduction of the types of inverted pendulum , the main control problems of the reaction, application in varies fields, o verseas and domestic research status and different control ways of inverted pendulum were given. And then the task and the requirement of the design were promoted.Secondly, it is linear 1--stage inverted pendulum design and manufacture. I t could satisfy the control requirements on the premise.It depended on if the structure is simple, the price is low, low powerconsumption when we chose the chips and design each part of the circuits i n the hardware design and production. In this design we use the ATMEAGA16 MCU as the control core and low power consumption better property DC geared motor. We use the world's first integrated 6 axis motion processing components MPU6050 measuring angular velocity and angular acceleration. Based on the hardware, we combined with kalman filter and PID control algorithm and operate in the software design.Finally, we combine the software and hardware, debug the system, and analyzethe results.It realized the balancing function of the two rounds car system.The anti-interference ability of the whole system is very strong under 35cm height.Key words:1--Stage Inverted Pendulum; Atmega16; MPU6050;PID;Kalman目录摘要..................................................................................................................................... Abstract (I)目录 (II)第1章绪论 01.1 概述 01.2 倒立摆系统的种类 01.3 倒立摆系统的研究集中地 01.4 倒立摆系统反应的主要控制问题 01.5 倒立摆系统在各个领域的应用 (1)1.6 倒立摆系统的研究现状 (1)1.7 倒立摆系统的主要控制方法 (2)1.8 设计内容 (2)第2章总体方案设计 (3)2.1 设计任务 (3)2.2 基本原理（控制部分） (3)2.3 设计要求 (3)2.4 系统功能框图 (3)2.5 本章小结 (4)第3章倒立摆系统原理篇 (5)3.1 车模平衡控制 (5)3.2 车模角度和角速度测量 (6)3.3 车模速度控制 (7)3.4 本章小结 (11)第4章倒立摆车控制系统设计 (12)4.1 最小系统要求 (12)4.2 芯片选型 (12)4.2.1 芯片特点 (12)4.2.2 引脚说明 (14)4.3 I/O接口分配 (15)4.3 驱动模块 (15)4.5 MPU6050模块 (16)4.6 电源模块 (17)4.7 系统原理图 (17)4.8 本章小结 (17)第5章倒立摆控制程序与算法设计 (19)5.1 系统软件设计说明 (19)5.2 PID控制算法 (19)5.2.1 PID控制算法简介 (19)5.2.2 PID控制算法特点 (19)5.2.3 电机控制算法程序 (20)5.3 卡尔曼滤波 (21)5.3.1 卡尔曼滤波的介绍 (21)5.3.2 卡尔曼滤波在倒立摆系统上的应用 (21)5.4 主程序设计软件流程 (22)5.4 显示子程序设计 (24)5.5 本章小结 (25)第6章系统调试与结果分析 (26)6.1 硬件测试 (26)6.2 联机调试 (26)6.2.1 参数设置 (26)6.2.2角度参数整定 (27)6.2.3速度参数整定 (27)6.3 测试仪器与方法 (28)6.5 本章小结 (28)结论 (29)参考文献 (30)附录1 (33)材料清单 (33)附录 2 (343)原理图 (34)附录3 (35)主程序 (35)子程序 (43)第1章绪论1.1 概述倒立摆是进行控制理论研究的典型平台。
毕业设计-倒立摆44
Key words : an inverted pendulum, PID control and MATLAB simulation
II
洛阳理工学院毕业设计（论文）
目
录
前言 ...................................................................................................... 1 第 1 章 倒立摆 .................................................................................... 2 1.1 倒立摆的意义 ......................................................................... 2 1.2 倒立摆的分类 ......................................................................... 2 1.3 倒立摆的组成 ......................................................................... 4 1.4 倒立摆的控制方式 ................................................................. 5 1.5 倒立摆的原理简述 ................................................................. 5 第 2 章 直线一级倒立摆数学模型..................................................... 7 2.1 直线倒立摆的运动方程的推导 ............................................. 7 2.2 传递函数. .............................................................................. 9 2.3 状态空间的结构方程 ........................................................... 10 2.4 倒立摆实际系统模型 ........................................................... 10 第 3 章 MATLAB 仿真软件应用 ..................................................... 12 3.1 MTALAB 系统主要部分 ..................................................... 12 3.2 MATLAB 的主要特点 .......................................................... 12 3.3 MATLAB 的仿真工具 SIMULINK .................................... 13 3.4 采用 MATLAB 语句形式进行仿真 ...................................... 14 第 4 章 PID 控制理论 ....................................................................... 16 4.1 PID 控制概述 ........................................................................ 16 4.2 常用的数字 PID 控制系统 .................................................. 16 4.3 PID 控制原理特点 ................................................................ 17 4.4 PID 参数的调整 .................................................................... 18 4.5 PID 控制回路的运行 ............................................................ 19 第 5 章 直线一级倒立摆的 PID 控制与调节................................... 21 5.1 PID 控制器的设计 ................................................................ 21 5.2 PID 控制器的 MATLAB ...................................................... 23 结 论 .................................................................................................. 28 谢 辞 .................................................................................................. 29
倒立摆毕业设计论文
摘要倒立摆是进行控制理论研究的典型实验平台，许多抽象的控制理论概念，如系统的稳定性、可观性及可控性等都可以通过该系统直观地表示出来。
倒立摆系统是一个典型的非线性、强耦合、多变量的不稳定系统，在控制研究领域有着代表性的意义，难以用经典的控制理论建立其控制器。
倒立摆作为控制系统的被控对象，许多抽象的控制概念都可以通过它直观的表现出来。
本毕业设计以直线倒立摆为研究对象，对直线一级倒立摆模型控制算法的仿真，并得出了相应的结论。
首先对倒立摆的分类、特性、控制目标、控制方法等以及倒立摆控制研究的发展及其现状进行了分析。
然后利用动力学原理推导了直线一级倒立摆的数学模型，求出其传递函数及状态空间方程。
利用现代控制理论方法，借助MATLAB程序分析了直线倒立摆系统的稳定性、可控性和可观性。
在建立系统模型的基础上，研究了倒立摆系统的控制策略。
对直线一级倒立摆控制采用经典控制方法，设计了常规PID控制器、双路PID控制器及基于倒立摆系统的状态空间方程PID控制器，并利用MATALAB/Simulink软件进行仿真，取得不同的控制效果。
对直线一级倒立摆控制采用现代控制方法，设计了LQR控制器，得出直线一级倒立摆LQR控制仿真图，通过改变Simulink的LQR模块及状态空间模块中的参数得到最好的控制效果。
关键词：倒立摆；PID控制；最优控制；系统仿真；SIMULINKAbstractThe inverted pendulum is put to go on in the typical experiment platform which controls the theoretical research, a lot of abstract control theory concepts,such as instance systematic stability, considerable and controllability,etc. can all show ocularly thought this system.The inverted pendulum system is characterized as a fast multi-variable nonlinear essentially unsteady system. Control research fieldrepresentative meaning, set up his controller with the classical control theory while being difficult. The handstand is put as the target of accusing of of the control system, a lot of abstract control concepts can all show ocularly through it.Graduation project this wave, for research object, wave model emulation to control algorithm with straight line handstand to straight line first class handstand have drawn the corresponding conclusionhas made the modelings, control algorithm simulations and experiments on the 1-stage inverted pendulum, and has drawn the corresponding conclusion.At first to classification, characteristic, control goal that handstand wave, control method,etc. and handstand wave development and current situation studied to control analyze. Then utilize the dynamics principle to derive the mathematical model that the straight line first class handstand puts, ask it out and transmit the function and state space equation. Utilize the modern control theory.The control stategies of inverted pendulum system have been studied on the basis of building system model. By taking classic control methods to the linear 1-stage inverted pendulum, designed have been the conventional PID controller and double closed loop controller and the PID controller based on state space equation of inverted pendulum system. And by making MATALAB/Simulink simulation, different effects have been acquired By taking modern control methods to the linear1-stage inverted pendulum, the LRQ controller has been devised, the LRQ control simulation figure of the linear 1-stage inverted pendulum has been obtained. And by altering the parameters of Simulink LRQ model and state space model, the best control result has been achieved.Key words: Stand upside down swaying; PID controls; Optimal control; System simulates; SIMULINK目录摘要 (I)Abstract (II)目录............................................................................................................................................... I II 第一章绪论.. (1)1.1 倒立摆的简单分析 (1)1.2 倒立摆的分类 (1)1.3倒立摆的特性 (2)1.4倒立摆的控制方法 (3)1.5国内外对于倒立摆的研究现状 (3)1.6本章小结 (5)第二章直线倒立摆数学模型的建立 (7)2.1 直线一级倒立摆系统的数学模型 (7)2.1.1 直线一级倒立摆系统运动方程的推导 (7)2.1.2直线一级倒立摆系统分析 (11)2.2本章小结 (15)第三章直线一级倒立摆系统PID控制与仿真 (16)3.1PID控制系统设计原理 (16)3.2 PID参数调整 (17)3.3 直线一级倒立摆PID控制器设计 (18)3.3.1 直线一级倒立摆摆杆角度控制 (18)3.3.2直线一级倒立摆小车位置控制 (19)3.4直线一级倒立摆PID控制算法仿真 (20)3.4.1直线一级倒立摆杆角度控制算法仿真 (20)3.4.2直线一级倒立摆小车位置控制算法仿真 (22)3.5直线一级倒立摆双闭环PID控制算法仿真 (24)3.6本章小结 (26)第四章直线倒立摆系统LQR控制与仿真 (28)4.1线性二次型最优控制LQR控制原理简介 (28)4.2倒立摆LQR控制器的设计 (29)4.3直线一级倒立摆LQR控制算法仿真 (31)4.4 本章小结 (35)第五章总结与展望 (36)参考文献 (37)致谢 (38)第一章绪论1.1 倒立摆的简单分析倒立摆是处于倒置不稳定状态、通过人为控制使其处于动态平衡的一种摆，是一个复杂的快速、非线性、多变量、强祸合、自然不稳定系统，是重心在上、支点在下控制问题的抽象。
毕业设计毕业论文一阶倒立摆模糊控制系统[管理资料]
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摘要一阶直线倒立摆是一个典型的“快速、多变量、非线性、自不稳定系统”，对一阶倒立摆系统的稳定性研究在理论上和方法上具有深远的意义。
对一阶倒立摆的研究可以归结为对非线性、多变量、不稳定系统的研究。
在应用上，一阶倒立摆广泛应用于控制理论研究、航空航天控制等领域，在自动化领域中具有重要的价值。
本文首先是建立一阶倒立摆的数学模型，并且采用的是双闭环控制系统，通过对一阶倒立摆的双闭环控制系统数学模型的分析，将模糊控制方法应用于一阶倒立摆的控制问题，其中，内环控制倒立摆的摆角，外环控制倒立摆的位置。
采用模糊控制器的设计包括隶属函数及模糊控制规则、解模糊，最后利用MATLAB软件进行仿真实验。
模糊控制方法应用于一阶倒立摆系统的控制中，能够发挥模糊控制在非线性系统的控制、复杂对象系统控制方面的优势，简化设计，提高系统的鲁棒性。
关键词：一阶倒立摆,数学模型,模糊控制,MATLABAbstractThe first-order linear inverted pendulum is a typical “fast, multivariable, nonlinear, unstable system”, for an inverted pendulum system stability research in theory and method has the profound significance. For an inverted pendulum can boil down to the research on nonlinear, multivariable, unstable system research. In application, an inverted pendulum is widely used in control theory, aerospace control and other fields, in the field of automation has important value.This paper is to establish a mathematical model of the inverted pendulum, and using the double closed-loop control system, through the inverted pendulum double closed-loop control mathematical model analysis, a fuzzy control method is applied to an inverted pendulum control, Wherein, the inner control of the inverted pendulum swing angle, the outer loop controls the position of inverted pendulum. Fuzzy controller design including the membership function and fuzzy control rule, fuzzy solution, finally using the Matlab software simulation. The fuzzy control method is applied to an inverted pendulum control system, fuzzy control can play in the control of nonlinear system, complex object systems control advantages, simplify the design, improve the stability of system.Key words: Inverted pendulum,Mathematical model,Fuzzy control,Matlab目录摘要 (I)Abstract.............................................................................................................................................. I I 1 绪论 (1)一阶倒立摆系统研究的意义 (1)一阶倒立摆系统在国内外研究综述 (1)本论文的研究内容和所用方法 (2)2 一阶倒立摆数学模型的建立与控制系统 (3)一阶倒立摆的数学模型 (3)一阶倒立摆系统的动力学分析 (4)系统微分方程的线性化 (5)系统微分方程状态空间表示 (6)一阶倒立摆定性分析 (7)系统的稳定性、能控性和能观测性判据 (7)基于状态方程的系统定性分析 (8)一阶倒立摆控制系统 (11)一阶倒立摆控制系统硬件 (11)一阶倒立摆系统总体控制框图 (11)3 模糊控制的基本原理 (15)模糊控制理论的基本概念 (15)模糊逻辑操作 (16)模糊规则与模糊推理 (16)模糊控制系统 (16)模糊控制系统的组成 (17)模糊控制系统的特点 (18)模糊控制器 (18)模糊控制器的组成 (18)模糊控制器的结构 (19)4 双闭环模糊控制系统设计 (21)建立双闭环模糊控制系统 (21)模糊控制器的设计 (21)隶属函数的确定 (21)模糊控制规则 (23)输出向量的解模糊 (24)建立模糊控制查询表 (25)5 一阶倒立摆系统仿真及其分析 (28)MATLAB及其模糊工具箱的介绍 (28)MATLAB的主要特点 (28)MATLAB的基本组成 (29)一阶倒立摆模糊控制系统仿真实验 (30)利用GUI编辑FIS结构文件，即设计模糊控制器 (30)建立一阶倒立摆模糊控制系统的仿真模型图 (33)6 结论与展望 (38)参考文献 (39)致谢 (40)系统总体框图 (41)系统总体原理图 (42)1 绪论一阶倒立摆系统研究的意义一阶倒立摆在稳定性控制问题中具有成本低廉，结构简单，形象直观，物理参数和结构易于调整的优点。
matlab仿真毕设--倒立摆现代控制理论研究
内蒙古科技大学本科生毕业设计说明书（毕业论文）题目：倒立摆现代控制理论研究倒立摆现代控制理论研究摘要倒立摆系统是一个复杂的非线性、强耦合、多变量和自不稳定系统。
在控制工程中，它能有效地反映诸如可镇定性、鲁棒性、随动性以及跟踪性等许多控制中的关键问题，是检验各种控制方法的理想工具。
理论是工程的先导，它对倒立摆系统的控制研究具有重要的工程背景，单级倒立摆与火箭的飞行有关，二级倒立摆与双足机器人的行走有相似性，日常生活中的任何重心在上，支点在下的问题都与倒立摆的控制有极大的相似性，所以对倒立摆的稳定控制有重大的现实意义。
迄今，人们已经利用古典控制理论、现代控制理论及多重智能控制理论实现了多种倒立摆系统的稳定控制[5]。
倒立摆的控制方法有很多，如状态反馈控制，经典PID控制，神经网络控制，遗传算法控制，自适应控制，模糊控制等。
其控制方法已经在军工、航天、机器人和一般工业过程等领域得到了应用。
因此对倒立摆系统的控制研究具有重要的理论和现实意义，成为控制领域中经久不衰的研究课题。
本文是应用线性系统理论中的极点配置、线性二次型最优（LQR）和状态观测器等知识，设计了倒立摆系统线性化模型的控制器，通过MA TLAB仿真，研究其正确性和有效性。
通过分析仿真结果，我们知道了，状态反馈控制可以使倒立摆系统很好的控制在稳定状态，并具有良好的鲁棒性。
关键词：倒立摆；现代控制；Matlab仿真；Modern Control Theory Of Inverted PendulumAbstractInverted pendulum system is a complex nonlinear and strongly coupled，multi-variable and unstable system since．In control engineering，it can effectively reflect such stabilization，robustness，with the mobility of control and tracking，and many other key issue，It is the test ideal for a variety of control methods．Theory is the project leader，inverted pendulum control system also has important engineering research background，inverted pendulum with single-stage related torocket for the flight，Inverted pendulum and biped walking robot similar nature in any life in the center of gravity，the fulcrum in the next issue with the inverted pendulum control has a great similarity，so the stability control of inverted pendulum significant practical significance.So far，it has been the use of classical control theory，modern control theory and control theory of multiple intelligence to achieve a variety of inverted pendulum system stability control[5].Inverted pendulum control methods there are many，such as the state feedback control，the classic PID control，neural network control，genetic algorithm control，adaptive control，fuzzy control.The control method has been in military，aerospace，robotics and general industrial processes and other areas have been intended use.Therefore，the control of inverted pendulum system research has important theoretical and practical significance，of becoming enduring research topics in the field.This is the application of the theory of linear systems pole placement，linear quadratic optimal (LQR) and the state observer of such knowledge，the design of the linear inverted pendulum model of the controller，through simulation to study the correctness and effective sex.By analyzing the results of MATLAB simulation，state feedback control can make a goodcontrol of inverted pendulum system in a stable state，and has good robustness，stability control features.Key words: Inverted pendulum；Modern control；Matlab simulation；目录摘要 (I)Abstract (II)第一章绪论 (1)1.1倒立摆系统模型简介 (1)1.2倒立摆研究的背景与意义 (2)1.3国内外研究现状、水平和发展趋势 (3)1.3.1倒立摆和控制理论的发展 (3)1.3.2倒立摆的控制方法 (4)1.3.3倒立摆的发展趋势 (5)1.4本论文的主要工作介绍 (6)第二章一级倒立摆的数学模型建立及其性能分析 (7)2.1 系统的组成 (7)2.2 一级倒立摆数学模型的建立 (8)2.2.1 数学模型的建立 (8)2.2.2 系统的结构参数 (9)2.2.3 用牛顿力学方法来建立系统的数学模型 (9)2.2.4 一级倒立摆的性能分析[7] (13)2.3 本章小结 (15)第三章现代控制理论在倒立摆控制中的应用 (16)3.1 自动控制理论的发展历程 (16)3.2 经典控制理论 (18)3.2.1 PID控制现状 (18)3.2.2 PID控制的基本原理 (18)3.2.3 常用PID数字控制系统 (20)3.3 现代控制理论 (21)3.3.1 极点配置[11] (22)3.3.2 线性二次型最优的控制理论[7,8] (24)3.3.3 加权矩阵的选取 (26)3.3.4 状态观测器[7] (26)3.4 本章小结 (29)第四章MA TLAB仿真技术 (30)4.1 仿真软件——Matlab简介 (30)4.1.1 MA TLAB的优势 (30)4.2 Simulink简介 (32)4.3 S-函数简介 (33)4.3.1 用M文件创建S-函数 (34)4.4 倒立摆仿真模块的建立 (36)4.5 本章小结 (37)第五章一级倒立摆线性模型系统的仿真 (38)5.1 倒立摆控制器结构选择 (38)5.2 一级倒立摆线性模型系统仿真 (38)5.2.1 Simulink仿真 (42)5.3 本章小结 (46)结束语 (48)参考文献 (49)附录A (51)致谢 (53)第一章绪论1.1倒立摆系统模型简介倒立摆控制系统是一个复杂的、不稳定的、非线性的系统，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，但它并不是我们想象的那样抽象，其实在我们日常生活中就有很多这样的例子。
二级倒立摆文献综述毕业设计
文献综述二级倒立摆系统建模与仿真学生：学号：专业：自动化班级：2007.4指导教师：四川理工学院自动化与电子信息学院二O一一年三月第1部分前言1.1倒立摆的发展及背景早在 20世纪 60年代, 人们就开始了对倒立摆系统的研究。
1966年Schaefer和 Cannon应用 Bang2 Bang控制理论, 将一个曲轴稳定于倒置位置。
自从倒立摆系统成为[1]自动控制领域控制实验室的实验和教学工具以来，人们对倒立摆控制的研究既有理论研究又有实验研究。
通过计算机仿真的方法对控制理论和控制方法的进行可行性研究；实验研究主要是解决仿真结果和实时控制之间性能差异的物理不确定性。
早在 1972 年，Stugne 等人采用全维状态观测器来重构了状态，并使用线性控制模拟电路实现了二级倒立摆的控制，倒立摆的线性状态反馈采用极点配置的方法获得。
1978 年，K. furutat 等人成功地应用降维观测器重构了倒立摆系统的状态，使用计算机处理实现了对三级倒立摆的控制。
1984 年，K.furutat 等人又实现了三级倒立摆的稳定控制。
1986 年，Chung 等人对一级倒立摆系统进行了系统辨识，并设计了 PD 反馈控制器和自适应自整定反馈控制器实现了对倒立摆的稳定控制[1]。
1989 年，Anderson 等人运用函数最小化和 LyaPunov 稳定方法成功产生了一个优化反馈控制器。
1994 年，sinha等人，利用 Lyapunov—Floquet 变换得到了三级倒立摆系统的计算机仿真模型[2]。
1995 年，任章等人在一种镇定倒立摆系统的新方法中应用振荡控制理论，在倒立摆支撑点的竖直方向上加入一个零均值的高频振荡信号，改善了倒立摆系统的稳定性。
1996 和 1997 年，翁正新等人利用带观测器的 Hao 状态反馈控制器对二级倒立摆系统在水平和倾斜导轨上进行了仿真控制。
1998年，蒋国飞等人将 BP 神经网络和 Q 学习算法有效结合，实现了倒立摆的无模型学习控制。
旋转倒立摆的毕业设计
太原理工大学现代科技学院毕业设计（论文）任务书毕业设计（论文）题目：基于单片机控制的旋转倒立摆系统（硬件设计）原始资料：一、任务设计并制作一套简易旋转倒立摆及其控制装置。
旋转倒立摆的结构。
电动机固定在支架上，通过转轴驱动旋转臂旋转。
摆杆通过转轴固定在旋转臂的一端，当旋转臂在电动机驱动下作往复旋转运动时，带动摆杆在垂直于旋转臂的平面作自由旋转。
二、基本要求（1）摆杆从处于自然下垂状态（摆角0°）开始，驱动电机带动旋转臂作往复旋转使摆杆摆动，并尽快使摆角达到或超过-60°~ +60°；（2）从摆杆处于自然下垂状态开始，尽快增大摆杆的摆动幅度，直至完成圆周运动；（3）在摆杆处于自然下垂状态下，外力拉起摆杆至接近165°位置，外力撤除同时，启动控制旋转臂使摆杆保持倒立状态时间不少于5s；期间旋转臂的转动角度不大于90°。
毕业设计（论文）主要内容：1、Abstract部分。
论文首先进行摘要的编写，即英文和中文摘要；具体为本文主要介绍基于单片机控制的选择倒立摆。
通过分析倒立摆的的系统原理，可以使倒立摆旋转起来。
2、绪论部分(包括引言）。
主要包括课题研究地意义、倒立摆研究历史及其现状、倒立摆的控制规律、PID控制现状分析与研究以及论文的主要工作3、倒立摆简介。
包括倒立摆系统组成、实物图片、公式、主要原理以及现有控制方法；对主控制器件的论证与选择。
包括控制器选用，控制方案的选择，角度的获取模块论证与选择，步进电机及其驱动模块的选择。
4、对系统硬件的设计，包括总电路图，系统框图和各模块的原理图。
5、PID和模糊控制简介及控制算法。
6、参考文献及心得体会，总结主要参考文献：[1]李国勇.自动控制原理[M].电子工业出版社.2010.[2]李晓林，牛煜光，闫高伟.单片机原理及接口技术[M].电子工业出版社.2011.[3]王桔.简易旋转倒立摆及控制装置[J].长春大学学报.2013（12）：1538-1540.[4]吕昊然.简易旋转倒立摆及控制装置设计[J].电子世界.2013（23）：135-136.[5]包敬海，覃贵寿.基于STM32和增量PID的旋转倒立摆的设计[J].钦州学院学报.2013（11）：10-14.[6]王招治.基于MATLAB的旋转倒立摆的控制与仿真分析[J].机电技术.2012(4):36-39.[7]Miller&Frederic P.Inverted Pendulum[M].VDM Verlag Dr. Mueller e.K.2010.[8]Olivares M&Albertoes P.Linear control of the flywheel inverted pendulum[J].ISA Transactions.2014.Vo1.543-547.[9]Kot,Andrzej.Bi-axial inverted pendulus modelling[A].Carpathian Control Conference (ICCC),2013 14th International.[10]曹建平.单级旋转倒立摆的控制系统设计[J].自动化应用.2014(4):32-34.[11]陆斌，郭燕飞.基于C8051F020单片机的简易旋转倒立摆系统[J].工业控制计算机.2014(2):123-124.[12]刘峰.基于模糊控制的单级旋转倒立摆系统设计.科技创新导报.2014夏(2):83.[13]汪雨寒，夏洪浩，杨思亚.简易旋转倒立摆及控制装置的系统设计.大学物理实验.2014（4):37-39.[14]李保林，吕跃，袁浩.一级旋转倒立摆的模糊控制[J].实验室科学.2008(5):77-79.[15]Li,Zhi jun.Advanced Control of Wheeled Inverted Pendulum Systems[M].Springer.2012.学生须提交的文件：1、内容完整、层次清晰、叙述流畅、排版规范的毕业设计论文；2、包括毕业设计论文、源程序等内容在内的毕业设计电子文档及其它相关材料。
倒立摆专家控制研究毕业设计
智能控制基础课程建设-专家控制研究摘要在传统控制系统中，系统的运行排斥了人的干预，人-机之间缺乏交互。
控制器对被控对象在环境中的参数、结构的变化缺乏应变能力。
传统控制理论的不足，在于它必须依赖于被控对象严格的数学模型，试图对精确模型来求取最优的控制效果。
而实际的被控对象存在着许多难以建模的因素。
上世纪80年代初，人工智能中专家系统的思想和方法开始被引入控制系统的研究和工程应用中。
专家系统能处理定性的、启发式或不确定的知识信息，经过各种推理来达到系统的任务目标。
专家系统为解决传统控制理论的局限性提供了重要的启示，二者的结合导致了专家控制这一方法。
本文通过对专家控制的研究，以小车倒立摆模型为例，对其进行Matlab仿真，建立课程教学演示平台。
首先，研究专家控制的基本原理，掌握专家控制的基础知识以及专家控制的基本算法；然后，对仿人智能控制进行研究，熟悉经典的仿人智能控制算法，例如仿人PID智能控制算法，九点控制器等，并在Matlab平台上编制仿人智能控制算法软件。
最后，通过对小车倒立摆系统进行专家控制的Matlab仿真，建立课程教学演示平台。
关键词：智能控制；专家控制；仿人智能控制；小车倒立摆；Matlab仿真Intelligent control foundation course construction-The Expertscontrol researchAbstractIn the traditional control system,operation of the system rejected the intervention of human,and there is no interaction between man and machine.Controller of the controlled object in the environment parameters, changes in the structure to ck of traditional control theory,is that it must rely on rigorous mathematical model of controlled object,attempt to strike a precise model to the optimal control effect. There are many difficult factors in the actual controlled object model.Early 80s of last century,Artificial Intelligence Expert System and method of thought control system began to be introduced for research and engineering applications.Expert system can deal with qualitative, heuristic or uncertain knowledge information, and through a variety of reasoning to achieve the mission objectives.Expert system provides important insights to solve the limitations of traditional control theory ,combination of the two led to the method of the expert control.The algorithm is based on the expert control study,doing Matlab simulation on car - inverted pendulum model,and create teaching demonstration platform.First of all, learn the basic principles of expert control,master the basics of expert control and the basic algorithm of the Expert control .Then,do some research of human-simulated intelligent control,familiar with the classic human-simulated intelligent control algorithm,for example, human-simulated intelligent PID control algorithm and nine-point controller.And prepare human-simulated intelligent control algorithm software on the Matlab platform.Finally,through the car - inverted pendulum system for expert control of Matlab simulation,establish course teaching demonstration platform.Key words:Intelligent control; Expert control; Human-simulated intelligent control; Car - inverted pendulum; Matlab simulation;目录摘要 (I)A b s t r a c t............................................................................I I 1选题背景. (1)1.1X X X (1)1.2X X X (2)1.3X X X (3)··2方案论证…………...……………………….2.1X X X……………………………………………………………………..2.2X X X……………………………………………………………………..··3设计或实验过程论述………….…….……··6总结与展望…………………………….………….……………………………致谢…………….……………….………………………………………………...附录…………….…………………………………………………………………参考文献…………….………………….…………………………………………1 选题背景1.1 引言自从美国科学家维纳在20 世纪40 年代创立控制论以来，自动控制理论经历了经典控制理论和现代控制理论两个重要发展阶段。
(完整版)倒立摆智能控制算法的研究毕业设计
毕业论文倒立摆智能控制算法的研究摘要倒立摆是典型的多变量、非线性、强耦合的自然不稳定系统。
本设计选用单级旋转倒立摆，采用模糊控制的智能算法进行倒立摆的稳定控制研究。
为了克服模糊控制中存在的不足之处，引入了线性二次最优控制和状态变量融合函技术。
论文主要工作如下：采用用拉格朗日方程建模法建立旋转式倒立摆系统数学模型，并对其线性化得到系统的状态方程。
首先利用线性二次最优控制对倒立摆进行了稳定控制仿真研究，求得最优状态反馈阵；为了解决控制中的“规则爆炸”问题，引入了融合技术。
本文所使用的融合技术是根据线性二次最优控制原理，计算出倒立摆系统的状态反馈矩阵，生成转换状态向量的融合函数，采用融合技术设计“线性融合函数”将最优控制理论与模糊控制算法的结合起来设计模糊控制器。
用MatlabSimulink工具对旋转倒立摆模糊控制系统进行仿真研究，最后结果证明：所设计的模糊控制器可以实现对倒立摆系统的稳定控制。
关键词单级旋转倒立摆；线性二次最优控制；状态融合函数；模糊控制AbstractInverted pendulum is a typical，multi-variable. inverted pendulum non-liner，Inligent algorithm based on fuzzy control research on stability of Inverted Pendulum control. In order to overcome the deficiencies in the fuzzy control，and introduces linear quadratic optimal control and status variables fusion technology. Main work of the thesis is as follows: The mathematical model of the inverted pendulum with Lagrange equation is deduced.First，by using linear quadratic optimal control Simulation Study on stability control of Inverted Pendulum，find the optimal State Feedback matrix ; The fusion techniques used in this article is based on the linear quadratic optimal control theory, to calculate the Inverted Pendulum System State Feedback matrix, the resulting conversion integration of the state vector functions. And then uses the fusion design " linear combination of functions " The combination of fuzzy control algorithm of optimal control theory and design of fuzzy controller. With matlabsimulink tool Simulation Study on fuzzy control system of Rotary Inverted Pendulum，the final results proved that the design of fuzzy controller can be achieved on stability control of Inverted Pendulum systems.Keywords rotational inverted pendulum；linear quadratic optimal control；State Fusion function；fuzzy control目录摘要 (I)Abstract............................................................................................................... I I 第1章绪论 (1)1.1课题背景 (1)1.2倒立摆研究发展现状 (1)1.3倒立摆系统的控制算法 (2)1.3.1 经典控制理论的方法 (2)1.3.2现代理论控制方法 (3)1.3.3 智能控制方法 (3)1.4本课题研究的主要内容 (6)第2章倒立摆系统的定性分析和数学建模 (7)2.1倒立摆系统的特性分析 (7)2.2倒立摆系统的建模 (8)2.2.1 旋转倒立摆的控制结构分析 (8)2.2.2 数学模型的建立 (9)2.3本章小结 (13)第3章倒立摆LQR控制器的设计与仿真 (14)3.1LQR控制器的设计与调节 (14)3.2LQR控制器的仿真研究 (17)3.3本章小结 (20)第4章模糊控制原理与模糊控制器设计 (21)4.1模糊控制理论的基本知识 (21)4.1.1模糊控制的数学基础 (21)4.1.2模糊控制系统的特点 (22)4.2模糊控制器基本原理 (23)4.3模糊控制器设计 (25)4.3.1 模糊控制器的结构设计 (26)4.3.2 精确量的模糊化方法 (27)4.3.3 模糊推理 (28)4.3.4 模糊量的去模糊化 (31)4.4本章小结 (32)第5章倒立摆系统模糊控制器的设计与仿真 (33)5.1状态变量融合设计 (33)5.1.1状态变量融合技术 (33)5.1.2.最优状态变量合成函数的设计 (33)5.2基于变量融合模糊控制器的设置 (35)5.3量化因子和比例因子 (40)5.4基于变量融合模糊控制器的仿真 (41)5.5本章小结 (44)结论 (47)参考文献 (49)致谢 (52)附录1 开题报告 (53)附录2 文献综述 (58)附录3 中期报告 (52)附录4 外文译文及其复印件 (55)第1章绪论1.1 课题背景杂技演员顶杆表演是人们熟悉的一种表演形式，不仅需要精湛的技艺，更重要的是它的物理机制与控制系统的稳定性密切相关。
毕业设计-一阶倒立摆最优控制器的设计
（二○○七 年 六 月本科毕业设计说明书 题 目：一阶倒立摆最优控制器的设计 学生姓名：xx 学 院：xx 系 别：xx 专 业：xx 班 级：xx 指导教师：xx摘要倒立摆系统的控制研究长期以来被认为是控制理论及其应用领域里能引起人们极大兴趣的问题。
它是检验各种新的控制理论和方法的有效性的著名实验装置。
作为一个高阶、非线性不稳定系统，倒立摆的稳定控制相当困难，对该领域的学者来说是一个极具挑战性的难题。
首先，本文阐述倒立摆系统控制的研究发展过程，介绍了倒立摆系统的结构，并详细推导了一级倒立摆的数学模型，为更高层次的控制规律的研究提供了一个途径。
其次，研究倒立摆系统的各种控制方法。
其中包括有经典控制理论中的PID控制方法和最优控制理论中的极点配置法、LQR法。
在MATLAB/SIMULINK的环境下，作了大量的系统仿真研究工作，比较了各种控制方法。
最后，发现经过最优控制方法校正后的系统的性能优于经典控制方法校正后的系统的性能，而且最优控制较易实现。
关键词：倒立摆系统；经典控制理论；最优控制理论；系统仿真AbstractThe control of inverted pendulum system has long been considered an intriguing problem for control theory and its applications. It is well known as a test bed for new control theory and techniques. As a highly nonlinear and unstable system, the stabilization control of inverted pendulum system is a primary challenge for researchers in this field because of the difficulty of the problem.Firstly, after introducing the development and current situation of inverted pendulum system research, the mechanism of inverted pendulum are presented. Mathematical model of the higher one level inverted pendulum is particularly educed in this chapter. Secondly, the thesis discusses mainly the control methods of inverted pendulum system based on the PID of classic control theories, the Pole arrangement and the LQR of modern control theories. And many system simulation researches on the stability of inverted pendulum have been done in the environment of MATLAB /SIMLTLINK. Finally, we will find that the performance of system which was adjusted by optimal control theory is better than the performance of system which was adjusted by classic control theory, and the optimal control is easier success than classic control.Keywords: Inverted pendulum system; Classic control theory; Optimal control theory;System simulation目录引言 (1)第一章绪论 (2)1.1 问题的提出及研究意义 (2)1.1.1 问题的提出 (2)1.1.2 研究意义 (2)1.2 本论文主要研究的内容 (2)第二章单级倒立摆数学模型 (4)2.1单级倒立摆数学模型的结构 (4)2.2系统的数学模型推导 (5)2.2.1 不考虑摩擦时的传递函数及状态方程 (5)2.2.2 考虑摩擦时的传递函数及状态方程 (8)第三章单级倒立摆PID控制器设计与仿真 (11)3.1理论分析 (11)3.2PID控制器的设计与仿真 (12)第四章现代控制理论在控制倒立摆系统中的应用 (20)4.1状态空间极点配置法 (20)4.1.1 理论分析 (20)4.1.2 状态空间极点配置法的设计及仿真 (20)4.2基于LQR的倒立摆最优控制系统研究 (24)4.2.1 理论分析 (24)4.2.2 LQR控制器的设计与仿真 (25)结论 (28)参考文献 (30)谢辞 (31)引言杂技顶杆表演之所以为人们熟悉，不仅是其技艺的精湛，更重要的是其物理与控制系统的稳定性密切相关。
基于ARM的倒立摆系统毕业设计
摘要倒立摆控制问题公认为控制理论中典型的控制问题。
在现实生活中，可以形象的看做是杂技顶杆表演，其物理机制与控制系统的稳定性密切相关，它深刻地揭示了自然界一种基本现象，即一个自然不稳定的被控对象，通过人的直觉的、定性的控制手段．就可以具有良好的稳定性[1]。
倒立摆的控制问题的研究和实现不仅有其深刻的理论意义，还有重要的工程背景。
因此，倒立摆能够为验证其控制策略和方法的可行性提供有效的装置，以检验控制律实现的有效性和实时性。
它是一种广泛应用的物理模型，倒立摆控制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。
本文针对单级倒立摆系统(Simple Inverted Pendulum System)提出了基于ARM的控制方案，单级倒立摆及其载体的运动模型是一种复杂的非线性模型。
本课题利用牛顿—欧拉法对直线一级倒立摆的小车和摆杆部分进行理论建模，并对直流电机及其驱动电路、红外线检测、限位开关等机械部分进行分析。
我们将能量控制理论运用其中，倒立摆平衡控制部分应用PID算法实现。
设计了一套具有较低复杂度和较短响应时间的控制系统，然后使用matlab软件中的Simulink 工具对得到的模型进行计算机仿真。
最后在基于ARM2131完成了整个系统的设计和调试。
最后对该平台的研究工作进行展望。
关键词:倒立摆系统、能量反馈、ARM2131控制、直流电机、编码器ABSTRACTThe control problem of inverted pendulum is recognized the typical control issues in the control theory. In real life, it can be seen as the image that Acrobatics performances, and the physical mechanism is closely related to the stability of control system, it profoundly reveals a basic phenomenon of the nature, that is a natural instability of the object through The intuitive, qualitative that means of control and then it Can have good stability. The study and realization of Inverted pendulum control not only have profound theoretical significance but also have important engineering background. Therefore, the inverted pendulum be able to provide an effective device to validate its control strategy and the feasibility and to test the effectiveness of control law and real-time. It is a widely used physical model. The control methods and techniques of inverted pendulum will have broad prospects for the development and utilization in semiconductor processing and precision instruments, robot technology, the control system of intercept missiles, aircraft and other aspects of docking control technology.This topic for Simple Inverted Pendulum System raise the ARM-based control scheme, simple inverted pendulum and its vector of movement model is a complex non-linear model. This subject obtains the theory model of the car and the swing link part of inverted pendulum by using the Newton - Euler method, and analysis the servo motor and its drive circuit, infrared detection, limit switches and other mechanical parts. it use PID algorithm and the energy control theory, inverted pendulum balance control, and design a set of low complexity and shorter response time of the control system, then use the Simulink tools of matlab software to computer simulation for the model.Finally, the topic carried out prospects the research work for the platform.Key words：Inverted pendulum system, energy feedback, the control of ARM2131, the DC motor, the encoder目录第一章倒立摆系统概述 (1)1.1倒立摆系统的基本概念 (1)1.2倒立摆控制模型及其原理简介 (1)1.3倒立摆系统的应用和稳定性研究的意义 (3)1.4国内外研究现状和新趋势 (3)1.4.1倒立摆控制的现状和新趋势 (3)1.4.2 实时仿真的研究现状 (4)1.5本课题的研究内容 (5)第二章单级倒立摆控制系统硬件设计 (6)2.1 系统总体设计方案 (14)2.1.1 系统的总体结构 (6)2.1.2 控制系统机械结构设计 (7)2.2 倒立摆的控制要求 (12)2.3 倒立摆系统中通讯控制系统的选型 (13)2.4 ARM最小系统 (15)2.5 直流电机及其驱动电路 (17)2.5.1 直流电机的结构及原理 (17)2.5.2 电机驱动电路的设计 (18)2.6 传感器的选择 (21)2.6.1 旋转编码器的选型 (22)2.7 红外线检测反馈 (24)2.8 小车限位开关 (25)第三章直线一级倒立摆的建模分析 (15)3.1 一阶倒立摆总体分析 (8)3.1.1 模型参数说明 (8)3.1.2 模型牛顿定律受力分析 (9)3.2 模型受力传递函数 (10)3.3 模型的状态空间方程 (11)3.4 系统分析 (12)第四章倒立摆控制系统的算法研究比较 (27)4.1 倒立摆系统的PID控制算法设计 (27)4.1.1 理论分析 (27)4.1.2 仿真实验 (30)4.2 倒立摆系统控制算法的状态空间法设计 (31)4.2.1 LQR控制器设计与调节 ................ 错误！未定义书签。
毕业论文（设计）单级倒立摆lqr控制器的设计及仿真
毕业设计（论文）任务书I、毕业设计(论文)题目：单级倒立摆LQR控制器的设计及仿真II、毕业设计(论文)使用的原始资料(数据)及设计技术要求：1、在深入了解倒立摆的基础上，熟悉单级倒立摆控制的基本原理2、了解单级倒立摆控制的发展趋势。
3、熟悉线性系统的基本理论和非线性系统线性化的基本方法。
4、建立单级倒立摆的数学模型，并编写MATLAB程序，完成倒立摆的仿真。
I I I、毕业设计(论文)工作内容及完成时间：工作安排如下：1、查阅文献，翻译英文资料，书写开题报告第1---4周2、相关资料的获取和必要知识的学习第5---9周3、设计系统的硬件和软件模块并调试第10--14周4、撰写论文第15--17周5、总结，准备答辩第18周Ⅳ、主要参考资料：1．阳武娇.基于MATLAB的一阶倒立摆控制系统的建模与仿真[J].电子元器件应用.2007，9(1):29-312 .杨世勇，徐莉苹，王培进.单级倒立摆的PID控制研究[J].控制工程.2007,14:23-53.3．黄忠霖.控制系统MATLAB计算及仿真[M].北京：国防工业出版社，2006．4．薛安客，王俊宏．倒立摆控制仿真与实验研究现状[J].杭州电子工业学院学报.2002，21(6):25-27.5 .徐征.基于遗传算法的PID控制器参数寻优方法的研究[D].武汉：武汉大学，2004．6．Takahas M，Narukawa T，Y oshida K．Intelligent transfer andstabilization control to unstable equilibrium point of double inverted pendulum．Int SICE 2003 Annual Co nfeFence，2003，2：1451-145.信息工程系自动化专业类1082022班学生（签名）：填写日期： 2014 年 1 月 10 日指导教师（签名）：助理指导教师(并指出所负责的部分)：信息工程系主任（签名）：单级倒立摆LQR控制器的设计及仿真摘要：单级倒立摆系统是一个典型多变量、不稳定和强耦合的非线性系统。
毕业设计(论文)-基于matlab的一级倒立摆控制器设计与仿真[管理资料]
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摘要倒立摆系统是一个典型的多变量、非线性、强耦合和快速运动的高阶不稳定系统，它是检验各种新型控制理论和方法有效性的典型装置。
近年来，许多学者对倒立摆系统进行广泛地研究。
本文研究了直线一级倒立摆的控制问题。
首先阐述了倒立摆系统控制的研究发展过程和现状，接着介绍了倒立摆系统的结构并详细推导了一级倒立摆的数学模型。
本文分别用极点配置、LQR最优控制设计了不同的控制器，极点配置法通过设计状态反馈控制器将多变量系统的闭环系统极点配置在期望的位置上，从而使系统满足要求的瞬态和稳态性能指标。
最优控制理论主要是依据庞特里亚金的极值原理，通过对性能指标的优化寻找可以使目标极小的控制器。
若取状态变量的二次型函数的积分做为系统的性能指标，则称为线性系统二次型性能指标的最优控制。
通过比较和MATLAB仿真，验证了所设计的控制器的有效性、稳定性和抗干扰性。
关键词：单级倒立摆；MATLAB；控制器设计；极点配置；LQRABSTRACTInverted pendulum is a typical multi-variable, non-linear, strong coupling and rapid movement of high-end system instability, It is testing various new control theory and methods of the effectiveness of the typical devices. In recent years, many scholars of the inverted pendulum extensive study.In this paper, a straight two inverted pendulum control on the inverted pendulum control of the development process and the status quo, then introduced the inverted pendulum system and the detailed structure of the two inverted pendulum is derived a mathematical model. In this paper, with pole placement, LQR optimal control design a different controller, By comparing and MATLAB simulation, verified the effectiveness ,stability and anti-jamming of the controller.Pole-zero configuration can configure the closed-loop system poles of multi-variable system in the desired position, by designing of the state feedback controller，so that to make the system meets the requirements of the transient and steady state performance indicators.Optimal control theory is mainly based on the Pontryagin maximum principle, by the optimization of the performance indicators to find the minimal goal of the taking the integral of the quadratic function of state variables as the system of performance indicators, called the as the linear quadratic performance index of optimal control.Key words : Single stage Inverted pendulum; MATLAB; Controller design; Zero-pole ; LQR目录摘要 (1)ABSTRACT (2)1 绪论 0控制理论的发展 0倒立摆系统简介及其研究意义 0倒立摆研究的发展现状及其主要控制方法 (1)研究目标 (2)2 直线一阶倒立摆数学模型的建立 (4)倒立摆系统的物理结构与建模 (4)系统参数设定 (7)系统能控性与能观性 (8)3 极点配置控制方案的设计 (9)极点配置理论 (9)极点配置算法 (10)极点配置控制方案的设计 (11)4 线性二次型最优控制(LQR)方案的设计 (15)最优控制的起源和发展 (15)线性二次型最优控制原理 (15)最优控制矩阵的设计 (18)5 控制系统的MATLAB仿真 (22)MATLAB软件介绍 (22)极点配置控制方案的仿真 (23)线性二次型最优控制(LQR)方案的仿真 (26)干扰条件下控制系统的仿真 (27)S函数模拟动画设计 (28) (31)6 总结与展望 (32)参考文献 (35)致谢 (36)附录 (37)1 绪论控制理论的发展控制理论发展至今已有100多年的历史，随着现代科学技术的发展，它的应用也越来越广泛。
单级倒立摆控制器设计与实现(本科毕业论文)
2)环形倒立摆系列
环形倒立摆是在圆周运动模块上装有摆体组件，圆周运动模块有一个自由度，可以围绕齿轮中心做圆周运动，在运动手臂末端装有摆体组件，根据摆体组件的级数和串连或并联的方式，可以组成很多形式的倒立摆。
3)平面倒立摆系列
平面倒立摆是在可以做平面运动的运动模块上装有摆杆组件，平面运动模块主要有两类：一类是XY运动平台，另一类是两自由度SCARA机械臂；摆体组件也有一级、二级、三级和四级很多种。
4)复合倒立摆系列
复合倒立摆为一类新型倒立摆，由运动本体和摆杆组件组成,其运动本体可以很方便的调整成三种模式，一是2）中所述的环形倒立摆，还可以把本体翻转90度,连杆竖直向下和竖直向上组成托摆和顶摆两种形式的倒立摆。
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，其呗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。早在二十世纪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阶倒立摆实验设备，此后其控制方法和思路在军工、航天、机器人领域和一般工业过程中都有着广泛的用途,如机器人行走过程中的平衡控制、火箭发射中的垂直角度控制、卫星发射架的稳定控制、飞机安全着陆、化工过程控制以及日常生活中所见的任何重心在上、支点在下的控制问题等，均涉及到“倒立摆问题”。而近年来，新的控制方法不断出现.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、实验和科研构建一个良好的实验平台,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。因此，许多现代控制理论的研究人员一直将它是为典型的研究对象，不断从中发掘出新的控制策略和控制方法，相关的科研成果在航天科技和机器人学方面获得了广阔的应用。
毕业设计基于模糊控制的倒立摆系统及MATLAB仿真
摘要倒立摆系统是研究控制理论的一种典型的实验装置,广泛应用于控制理论研究，航空航天控制等领域，其控制研究对于自动化控制领域具有重要的价值。
然而，倒立摆装置是一个绝对不稳定系统，具有高阶次、非线性、强耦合等特性，本文应用模糊控制策略对其进行控制研究。
本文应用牛顿力学定律建立了直线一级倒立摆的状态方程数学模型并推导了简化的传递函数数学模型,分析了其稳定性，可控性和可观测性。
研究了控制系统整体结构，建立了模糊控制器，在MATLAB平台上对模糊控制系统进行了仿真研究，并对获得的控制系统输出图进行了性能分析。
关键词：一阶倒立摆，数学模型，模糊控制， MATLAB仿真AbstractInverted pendulum control system is to study the theory of a typical experimental device, widely used in control theory, the field of aerospace control, its control is important for the automation and control value. However, the inverted pendulum device is an absolute unstable system, with high time, nonlinear, strong coupling and other features, this fuzzy control strategy to control research.In this paper, Newton's laws of mechanics to establish a line-level inverted pendulum equation of state mathematical model to derive the simplified transfer function model to analyze its stability, controllability and observability. Of the control system as a whole structure of a fuzzy controller, in the MATLAB platform for fuzzy control system was simulated, and access control system output graph of the performance analysis.Keywords: inverted pendulum, mathematical model, fuzzy control, MATLAB simulation目录摘要 (i)Abstract (ii)第一章倒立摆系统简介 (1)1.1倒立摆系统概述 (1)1.2倒立摆的控制目标及研究意义 (1)1.3倒立摆系统控制方法简介 (2)1.4论文的主要工作 (4)第二章模糊控制概述 (6)2.1控制理论简介 (6)2.1.1经典控制理论 (6)2.1.2现代控制理论 (6)2.1.3模糊控制与经典控制理论的比较 (8)2.2模糊控制的数学基础 (9)2.2.1模糊子集与运算 (9)2.2.2模糊关系与模糊关系合成 (11)2.2.3模糊推理 (12)第三章控制系统分析与模糊控制方法研究 (15)3.1控制系统结构及工作原理 (15)3.1.1控制系统结构 (15)3.1.2模糊控制器的工作原理 (16)3.2精确量的模糊化 (17)3．2．1模糊控制器的语言变量 (17)3．2．2量化因子与比例因子 (17)3．2．3语言变量值的选取 (18)3．2．4语言变量论域上的模糊子集 (18)3．3常见的模糊控制规则 (19)3．4输出信息的模糊判决 (20)3．4．1基于推理合成规则进行模糊推理 (20)3．4．2输出信息的模糊判决 (20)3．5本章小结 (21)第四章倒立摆系统建模 (21)4.1常见的倒立摆类型 (21)4.2倒立摆系统建模 (23)4.3系统可控性分析 (27)第五章倒立摆模糊控制器的设计及仿真 (29)5．1倒立摆的稳定模糊控制器的设计 (29)5.1.1位置模糊控制器的设计 (29)5 .1.2角度模糊控制器的设计 (34)5.1.3稳定控制器的实现 (34)5. 2一级倒立摆系统仿真 (35)5.2.1 Simulink简介 (36)5.2.2系统仿真 (37)第六章总结 (44)致谢 (45)参考文献 ......................................................................................................................... 错误!未定义书签。
毕业设计(论文)-基于lqr的二级倒立摆控制系统[管理资料]
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各类倒立摆系统
当人用手托起一根立起的竹竿时，他会通过手臂的不断移动来保持平衡，使竹竿不倒。假如两根竹竿上下在一起（自由连接），还能长时间保持稳定直立么？通过实验仪器将这样的两根棍在自由连接状态下立起来，最下边的一根棍与滑轨上的一个小车自由连接。通过小车在滑轨上左右移动来保持两根棍上下立在一起不倒。从科学的角度讲，这就叫二级倒立摆。所示：
基于LQR的二级倒立摆控制系统
学院
专业
班级
学号
姓名
指导教师
负责教师
沈阳航空航天大学
2011年6月
摘 要
倒立摆系统是一个典型的多变量、非线性、强耦合和快速运动的高阶不稳定系统，它是检验各种新的控制理论和方法有效性的典型理想模型。在其控制过程中，能有效地反映诸如镇定性、鲁棒性、随动性以及跟踪等许多关键问题。本文主要研究二级倒立摆LQR控制方法。首先建立了二级倒立摆的数学模型，然后对二级倒立摆的数学模型进行控制设计，应用遗传算法确定系统性能指标函数中的加权阵Q，R得到系统状态反馈控制矩阵。用MATLAB进行了系统仿真。在几次凑试Q矩阵值后系统的响应结果都不尽如人意，于是采用遗传算法对Q矩阵优化。仿真结果证明：经过遗传算法优化后的系统响应能更加满足设计要求。最后在实验台上进行了试验，验证了matlab中仿真的结果。
通过对倒立摆系统的研究，不仅可以解决控制中的理论问题，还能将控制理论所涉及的三个基础学科：力学、数学和电学有机的结合起来，在倒立摆系统中进行综合应用。对倒立摆系统进行控制，其稳定效果非常明了，可以通过角度、位移和稳定时间直接度量，控制好坏一目了然。理论是工程的先导，对倒立摆的研究不仅有其深远的理论意义，还有重要的工程背景。从日常生活中所见到的任何重心在上，支点在下的控制问题，到空间飞行器和各类伺服云台的稳定，都和倒立摆的控制有很大的相似性，故对其的稳定控制在实际中有很多用场，如海上钻井平台的稳定控制、卫星发射架的稳定控制、火箭姿态控制、飞机安全着陆化工过程控制等都属于这类问题。针对上面的实际问题，启发了人们采用智能控制方法对倒立摆进行控制。因此对倒立摆机理的研究具有重要的理论和实际意义，成为控制理论中经久不衰的研究课题。
毕业设计--倒立摆
直线一级倒立摆的计算机控制摘要倒立摆是一个绝对不稳定、高阶次、多变量、强耦合的非线性系统，基于牛顿―欧拉方法建立了直线一级倒立摆系统的数学模型，并分析其稳定性及可控性。
论文中应用的两种控制算法是PID控制和状态反馈极点配置控制:PID控制器结构简单，容易调节,但是PID控制器存在的缺陷是只能单一的对摆杆进行控制而不能对小车进行控制。
极点配置法通过设计状态反馈控制器将多变量系统的闭环系统极点配置在期望的位置上，基于极点配置控制器进行了MATLAB仿真，并且结合实物实验完成直线一级倒立摆的控制研究。
关键词：直线一级倒立摆，PID控制，极点配置，MATLAB仿真Computer control of Linear inverted pendulumAbstractThe controlled system of the inverted pendulum is an absolutely instability , high time, multivariable, the nonlinear system of strong coupling , mathematical model of Linear inverted pendulum system is established by Newton ―Euler method, and analyzed its stability and controllability.PID controller its simple structure, easy to adjust, and without needing to build an accurate model of the system, the control application is more extensive. However, defect of PID controller is that it can only control the pendulum and can not control the car. Pole placement will configure closed-loop system’s pole of multivariable system in the desired position, going on the MATLAB simulation based on Pole placement controller, and combined physical experiments to complete Linear Inverted Pendulum Control.Key words: linear inverted pendulum, PID control, pole placement, MATLAB simulation目录第一章绪论 (1)1.1 课题的背景及意义 (1)1.2 倒立摆的控制目标 (1)1.3 倒立摆的控制方法 (1)1.4 倒立摆系统的发展状况 (2)1.5 本文研究的主要内容和思路 (3)第二章直线一级倒立摆数学模型的建立 (5)2.1 直线一级倒立摆系统运动方程的推导 (5)2.2 系统的物理参数 (9)2.3 系统的实际模型 (9)2.4 直线一级倒立摆系统的分析 (10)2.5 本章小结 (13)第三章直线一级倒立摆的PID控制 (14)3.1 PID控制原理 (14)3.2 仿真软件MATLAB/Simulink简介 (16)3.3 PID控制参数设定及仿真 (16)3.3.1 PID参数整定的基本方法 (16)3.3.2 采用PID控制的仿真研究 (17)3.5 本章小结 (22)第四章状态反馈极点配置控制 (23)4.1 状态空间分析 (23)4.2 极点配置及仿真 (25)4.2.1 反馈矩阵的设计 (25)4.2.2 状态反馈极点配置仿真 (28)4.3 极点配置实时控制实验 (29)4.3.1 实时控制软件简介 (29)4.3.2 实时控制结果 (30)4.4 本章小结 (31)结束语 (32)参考文献 (33)致谢 (34)第一章绪论1.1 课题的背景及意义倒立摆系统作为研究控制理论的一种典型的实验装置，具有成本低廉、结构简单、物理参数和结构易于调整的优点。
倒立摆开题报告
倒立摆开题报告2017倒立摆开题报告论文应符合专业培养目标和教学要求，以学生所学专业课的内容为主，不应脱离专业范围，要有一定的综合性，以下就是由编辑老师为您提供的倒立摆开题报告。
一、毕业设计(论文)内容及研究意义(价值)在控制理论发展的过程中，一种理论的正确性及在实际应用中的可行性，往往需要一个典型对象来验证，并比较各种控制理论之间的优劣，倒立摆系统就是这样一个可以将理论应用于实际的理想实验平台。
本论文在参考大量文献的基础上，建立了一级倒立摆系统的数学模型，对系统进行了稳定性、可控性分析，指出一阶倒立摆的开环不稳定性。
文章主要完成了：一级倒立摆动力学模型和模糊PID控制器模块的设计，确定了输入输出信号的论域、隶属度函数和模糊规则，最后利用Matlab中的simulink工具箱创建了基于模糊控制理论的一级倒立摆系统的simulink仿真模型，对倒立摆系统进行分析。
仿真结果证明模糊PID控制不仅可以稳定倒立摆系统，还使小车稳定在平衡位置附近，证明了本文设计的模糊PID控制器有良好的稳定性、鲁棒性和适应性倒立摆系统能有效地反映诸如镇定性、鲁棒性、随动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。
其典型性在于：作为实验装置，它本身具有成本低廉、结构简单、物理参数和结构易于调整、便于模拟、形象直观的优点;作为被控对象，它是一个具有高阶次、不稳定、多变量、非线性和强藕合特性的不稳定系统，可以有效地反映控制中的许多问题;作为检测模型，该系统的特点与机器人、飞行器、起重机稳钩装置等的控制有很大的相似性。
对倒立摆因此对倒立摆控制机理的研究具有非常重要的理论和实践意义。
二、毕业设计(论文)研究现状和发展趋势(文献综述)1.倒立摆系统的研究现状到目前为止，人们己经利用包括经典控制理论、现代控制理论以及各种智能控制理论在内的各种手段先后实现了倒立摆系统的稳定控制。
随着微型计算机的发展和广泛应用，又陆续出现了对一级、二级甚至多级倒立摆的稳定控制。
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专家控制研究摘要在传统控制系统中，系统的运行排斥了人的干预，人-机之间缺乏交互。
控制器对被控对象在环境中的参数、结构的变化缺乏应变能力。
传统控制理论的不足，在于它必须依赖于被控对象严格的数学模型，试图对精确模型来求取最优的控制效果。
而实际的被控对象存在着许多难以建模的因素。
上世纪80年代初，人工智能中专家系统的思想和方法开始被引入控制系统的研究和工程应用中。
专家系统能处理定性的、启发式或不确定的知识信息，经过各种推理来达到系统的任务目标。
专家系统为解决传统控制理论的局限性提供了重要的启示，二者的结合导致了专家控制这一方法。
本文通过对专家控制的研究，以小车倒立摆模型为例，对其进行Matlab仿真，建立课程教学演示平台。
首先，研究专家控制的基本原理，掌握专家控制的基础知识以及专家控制的基本算法；然后，对仿人智能控制进行研究，熟悉经典的仿人智能控制算法，例如仿人PID智能控制算法，九点控制器等，并在Matlab平台上编制仿人智能控制算法软件。
最后，通过对小车倒立摆系统进行专家控制的Matlab仿真，建立课程教学演示平台。
关键词：智能控制；专家控制；仿人智能控制；小车倒立摆；Matlab仿真The Experts control researchAbstractIn the traditional control system,operation of the system rejected the intervention of human,and there is no interaction between man and machine.Controller of the controlled object in the environment parameters, changes in the structure to ck of traditional control theory,is that it must rely on rigorous mathematical model of controlled object,attempt to strike a precise model to the optimal control effect. There are many difficult factors in the actual controlled object model.Early 80s of last century,Artificial Intelligence Expert System and method of thought control system began to be introduced for research and engineering applications.Expert system can deal with qualitative, heuristic or uncertain knowledge information, and through a variety of reasoning to achieve the mission objectives.Expert system provides important insights to solve the limitations of traditional control theory ,combination of the two led to the method of the expert control.The algorithm is based on the expert control study,doingMatlab simulation on car - inverted pendulum model,and create teaching demonstration platform.First of all, learn the basic principles of expert control,master the basics of expert control and the basic algorithm of the Expert control .Then,do some research of human-simulated intelligent control,familiar with the classic human-simulated intelligent control algorithm,for example, human-simulated intelligent PID control algorithm and nine-point controller.And prepare human-simulated intelligent control algorithm software on the Matlab platform.Finally,through the car - inverted pendulum system for expert control of Matlabsimulation,establish course teaching demonstration platform.Key words:Intelligent control; Expert control; Human-simulated intelligent control; Car - inverted pendulum;Matlab simulation;目录摘要 (I)Abstract (II)1 选题背景 (1)1.1引言 (1)1.2智能控制的发展历史与现状 (1)1.3专家控制 (3)1.4仿人智能控制 (4)1.5倒立摆系统简介 (5)2 基础理论 (7)2.1 专家控制的研究 (7)2.2仿人智能控制的研究 (14)2.3九点控制器 (16)3 小车倒立摆系统 (24)3.1倒立摆系统数学模型的建立及系统分析 (24)3.2倒立摆系统LQR控制仿真 (28)3.3 倒立摆系统专家PID控制仿真 (32)4 总结与展望 (37)4.1工作总结 (37)4.2改进方向 (37)致谢 (38)参考文献 (39)1 选题背景1.1 引言自从美国科学家维纳在20 世纪40 年代创立控制论以来，自动控制理论经历了经典控制理论和现代控制理论两个重要发展阶段。
在处理复杂系统控制问题时，传统的控制理论在面临复杂性所带来的问题时，突破旧的模式以适应社会对自动化提出的新要求。
近来，把传统控制理论与模糊逻辑、神经网络、遗传算法等人工智能技术相结合，充分利用人类的控制知识对复杂系统进行控制，逐渐形成了智能控制理论的雏形。
[1]智能控制不同于经典控制理论和现代控制理论的处理方法，控制器不再是单一的数学解析模型，而是数学解析模型和知识系统相结合的广义模型。
智能控制是研究与模拟人类智能活动及其控制与信息传递过程的规律，研制具有仿人智能的工程控制与信息处理系统。
智能控制具有以下基本特点：（1）智能控制系统应能对复杂系统，如非线性、快时变、复杂多变量、环境扰动等进行有效的全局控制，并具有较好的容错能力；（2）定性决策和定量控制相结合的多模态组合控制；（3）智能控制的基本目的是从系统的功能和整体优化的角度来分析和综合系统，以实现预定的目标，智能控制应具有自组织能力；（4）人的知识在控制中起着重要的协调作用，系统在信息处理上，既有数学运算，又有逻辑和知识推理能力。
[2]本课题主要通过对智能控制中专家控制和仿人智能控制的研究，建立课程教学演示平台。
1.2 智能控制的发展历史与现状从20 世纪60 年代起，由于空间技术、计算机技术及人工智能技术的发展，控制界学者在研究自组织、自学习控制的基础上，为了提高控制系统的自学习能力，开始注意将人工智能技术与方法应用于控制系统。
60 年代初期，F．W．Smith 提出采用性能模式识别器来学习最优控制方法的新思想，试图利用模式识别技术来解决复杂系统的控制问题。
Smith 采用线性判别器作为控制器的核心，先对控制器进行开环训练，确定线性判别函数的系数，即可用来工作。
1965 年，美国著名控制论专家Zadeh创立了模糊集合论，为解决复杂系统的控制问题提供了强有力的数学工具；同年，美国著名科学Feigenbaum着手研制世界上第一个专家系统，华裔学者傅京孙教授首先提出把人工智能中的直觉推理方法用于学习控制系统。
1966 年，Mendel 进一步在空间飞行器的学习控制系统中应用了人工智能技术，并提出了“人工智能控制”的概念。
直到1967 年，Leondes和Mendel 才首先正式使用“智能控制”一词，并把记忆、目标分解等一些简单的人工智能技术用于学习控制系统，以提高系统处理不确定性问题的能力。
这标志着智能控制的思想已经萌芽。
从20 世纪70 年代初开始，傅京孙、Gloriso和Saridis等人从控制论角度进一步总结了人工智能技术与自适应、自组织、自学习控制的关系，正式提出了智能控制就是人工智能技术与控制理论的交叉，并创立了人—机交互式分级递阶智能控制的系统结构。
他们在核反应准、城市交通等控制中成功地应用了智能控制系统。
这些研究成果为分级递阶智能控制的形成奠定了基础。
在70 年代中期前后，以模糊集合论为基础，从模仿人的控制决策思想出发，智能控制在另一个方向——规则控制(rule-based contro1)上也取得了重要的进展。
1974 年，英国学者Mamdani将模糊集和模糊语言逻辑运用于控制，创立了基于模糊语言描述控制规则的模糊控制器，并被成功地用于工业过程控制。
1979 年，他又成功地研制出自组织模糊控制器，使模糊控制器具有了较高的智能。
模糊控制的形成和发展，以及与人工智能中的产生式系统、专家系统思想的相互渗透，对智能控制理论的形成起了十分重要的推动作用。
20 世纪70 年代可以看作是智能控制的形成期。
进入20 世纪80 年代以来，由于微机的迅速发展以及人工智能的重要领域——专家系统技术的逐渐成熟，使得智能控制和决策的研究及应用领域逐步扩大，并取得了一批应用成果。
例如，1982年Fox 等人实现加工车间调度专家系统ISIS；1983 年Saridis把智能控制用于机器人系统；1984 年LISP 公司研制成功用于分布式的实时过程控制专家系统PICON；l986 年M．Lattimer和Wright 等人开发的混合专家系统控制器Hexscon是一个实验型的基于知识的实时控制专家系统，用来处理军事和现代化工业中出现的控制问题。