本科毕业设计任务书：旋转单级倒立摆系统建模与实物控制

系 信控 系 主 任

批准日期 2015-3-6

毕 业 设 计（论 文）任 务 书

信息与控制工程 系 自动化 专业 ×× 班 学生 ×× 一、毕业设计(论文)课题

旋转单级倒立摆系统建模与实物控制

二、毕业设计(论文)工作自 2015 年 3 月 2 日起至 2015 年 6 月 28 日止 三、毕业设计(论文)进行地点

学科2号楼801实验室

四、毕业设计(论文)的内容要求

1、 设计目的

倒立摆系统自身是一个典型的绝对不稳定、高阶次、多变量、强耦合的非线性系统。许多抽象的控制理论概念如系统的可控性、稳定性、系统的抗干扰能力和系统的快速性等，都可以由倒立摆系统直观地展示出来。近年来，新的控制方法不断出现，人们试图通过倒立摆这样一个典型的控制对象，检验新的控制方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。因此倒立摆系统是一个研究和验证先进控制算法性能的一个优秀平台。

目前国内外关于倒立摆的研究大都集中在直线型倒立摆系统，旋转倒立摆的研究较少。本次毕业设计以加拿大QUANSER 公司的旋转单级倒立摆为研究对象，采用机理建模法建立其动力学模型，在此基础上分析该倒立摆系统的性能，并设计控制器实现平衡控制且动态性能满足%16.3%,3s t s σ≤≤。

通过此次毕业设计使学生具备如下能力：①通过毕业设计，熟悉和掌握建立实际物理系统模型的能力；②利用经典控制理论和现代控制理论对控制系统进行系统性能分析和控制器设计的能力；③利用MATLAB /SIMULINK 实现控制系统

建模、仿真、实物控制并对实验结果进行分析的能力。④查阅相关中英文文献，

了解典型运动控制对象-旋转倒立摆控制技术的前沿发展动态；

2、设计要求

（1）建立所用的旋转单级倒立摆系统的数学模型并分析系统的性能。 （2）根据给定的性能指标，分别设计满足要求的LQR 控制器和变结构控制器，在MATLAB 环境下实现上述两种控制算法。 （3）以加拿大QUANSER 公司的旋转单级倒立摆为对象，采用上述两种控制算法实现对旋转单级倒立摆实物系统的平衡控制且动态性能满足

%16.3%,3s t s σ≤≤。

3、设计步骤

1）查阅文献，熟悉和了解倒立摆系统，尤其是旋转单级倒立摆系统平衡控制的研

究背景和意义，翻译3000~5000词英文文献，写出高质量开题报告； 2）学习机理建模的基本步骤并利用拉格朗日方法建立所用的旋转单级倒立摆的状

态空间模型和传递函数模型。 3）分析系统性能，包括稳定性、可控性和开环响应特性。 4）学习LQR 控制器的基本原理，根据给定的性能指标，设计满足要求的旋转单级倒立摆LQR 控制器并在MATLAB 环境下实现该控制算法； 5）学习滑模变结构控制原理，根据给定的性能指标，设计满足要求的旋转单级倒立比例切换控制率的滑模变结构控制器，并在MATLAB 环境下实现该控制算法；

6）分析控制器中参数的选取对控制性能的影响以及上述两种控制算法的优缺点； 7）熟悉QUANSER 公司的旋转单级倒立摆控制系统实时软件，采用上述两种控制算法实现对旋转单级倒立摆实物系统的平衡控制且满足%16.3%,3s t s σ≤≤。 8）分析实验结果并撰写毕业论文；

4、 毕业设计条件

1)信控系机房为每个学生提供150个上机机时。

2)指导老师尽量提供设计需要的参考资料，提供学生必要的资料打印和复印费用。

5、撰写合格或高质量的毕业设计论文，具体要求为

1)论文要有题目、指导教师姓名、班级学生姓名、中英文摘要、章节目录等；

2)要有序言、正文、结论、参考文献（其中3篇以上外文文献）；

3)要翻译一篇3000英文单词以上的英文资料，英文资料的内容要与进行的毕业设计的内容相关；

4) 论文要字迹工整、清晰，图形规范，符合国家标准。

五、毕业设计时间

2015年3月2日～2015年6月28日

六、参考文献

1、王继军,孙灵芳.倒立摆系统概述[J].控制理论与应用,2011, 30(2): 1-5.

2、QUBE-SERVO Workbook-Instructor Version[M].Canada:Quanser Inc.2013.

3、宋君烈,肖军,徐心和.倒立摆系统的Lagrange方程建模与模糊控制.东北大学学报(自然科学版),2002.23(4) :333-336.

4、刘璟，梁昔明.LQR控制与PID控制在单级倒立摆中的对比研究[J].自动化技术与应用，2007(1)：16-21.

5、刘金琨,孙富春.滑模变结构控制理论及其算法研究与进展[J].控制理论与应用,2007.6, 2350: 407-418.

6、刘浩梅.环形单级倒立摆的稳定控制研究与实现[D].湖南:湖南工业大学,2013.

7、N. Muskinja. Swinging Up and Stabilization of a Real Inverted Pendulum [J], Industrial Electronics, 2006, 53(2): 631-639.

8、西安理工大学图书馆网站和/

负责指导教师

指导教师

接受设计论文任务开始执行日期

学生签名

毕业设计（论文）进度表信息与控制工程系

指导教师(签名) 学生(签名)

年月日年月日