单级倒立摆毕业设计任务书

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(完整版)单级倒立摆毕业设计

图1-2 Atmega16引脚图
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。

单级倒立摆课程设计

单级倒立摆课程设计一、课程目标知识目标：1. 让学生掌握单级倒立摆的基本概念、原理和数学模型；2. 使学生了解单级倒立摆在实际工程中的应用和价值；3. 引导学生运用物理知识分析单级倒立摆的动态特性及稳定性。

技能目标：1. 培养学生运用数学、物理知识解决实际问题的能力；2. 提高学生动手实践能力，学会设计、搭建和调试单级倒立摆控制系统；3. 培养学生团队协作、沟通表达及分析问题的能力。

情感态度价值观目标：1. 激发学生对物理科学研究的兴趣，培养创新意识和探索精神；2. 引导学生关注我国在倒立摆技术领域的发展，增强国家认同感；3. 培养学生严谨的科学态度和良好的学习习惯。

课程性质：本课程为物理学科实验课程，旨在通过实践操作，让学生深入理解单级倒立摆的原理和应用。

学生特点：本课程针对高中学生，他们在数学、物理基础知识方面有较好的储备，具备一定的动手能力和探究精神。

教学要求：结合学生特点，注重理论与实践相结合，引导学生主动参与，提高综合运用知识解决实际问题的能力。

将课程目标分解为具体的学习成果，便于后续教学设计和评估。

二、教学内容1. 理论知识：- 单级倒立摆的基本概念、原理及数学模型；- 倒立摆系统的动态特性分析；- 倒立摆稳定性判据及控制方法。

2. 实践操作：- 搭建单级倒立摆实验装置；- 设计并实现单级倒立摆控制系统；- 调试优化控制系统，实现倒立摆的稳定控制。

3. 教学大纲：- 第一周：单级倒立摆基本概念、原理及数学模型学习；- 第二周：倒立摆系统的动态特性分析；- 第三周：稳定性判据及控制方法学习；- 第四周：实践操作，搭建实验装置；- 第五周：设计并实现单级倒立摆控制系统；- 第六周：调试优化控制系统，总结交流。

教材章节：本教学内容参考课本第十章“自动控制”，具体涉及第1节“倒立摆控制”和第2节“倒立摆控制系统设计”。

教学内容安排和进度：按照教学大纲，每周安排一次课，共计6周。

理论教学与实践操作相结合，保证学生充分理解并掌握单级倒立摆相关知识。

毕业设计(l论文)任务书

河北工业大学城市学院本科毕业设计（论文）任务书毕业设计题目：旋转式倒立摆的实验系统设计及模糊控制算法研究适用专业：自动化专业学生信息：学号108978 姓名：胡利兵班级：自动化C102指导教师信息：姓名：梁涛职称：副教授下达任务日期：2014年2月26日课题简介：倒立摆是一个复杂的快速、非线性、多变量、强耦合、自然不稳定的非最小相位系统，是重心在上、支点在下控制问题的抽象。

在许多控制方法的研究过程中，科研人员往往因为不能找到合适的实际控制对象，使得许多研究成果失去了继续完善发展的机会，造成了科研资源的浪费。

作为一种理想的控制对象平台，倒立摆结构简单、成本较低，可以有效地检验众多控制方法的有效性，在控制方法的实验和研究上有很重要的地位。

许多抽象的控制概念如控制系统的稳定性、可控性、收敛速度和抗干扰能力等，都可以通过倒立摆系统直观地表现出来。

课题要求：鉴于现代控制理论方法在旋转倒立摆控制中存在的线性化问题的局限，将模糊控制引入实验系统，设计单级旋转倒立摆模糊控制器，进行实物控制，总体控制效果较好。

由于在平衡点附近，模糊控制方法的控制效果不非常理想。

因此需要进一步改善系统控制性能，本课题要求将模糊控制与线性二次型最优控制策略结合，设计基于LQR的自校正模糊控制器，通过实验结果验证是否能有效地改善旋转倒立摆模糊控制系统的动态特性，从而既解决平衡点附近局部线性化的局限性问题，提高了系统的鲁棒性和抗干扰性，同时又增强了控制器的适用范围。

主要参考文献：[1]朱玉奇. 旋转式倒立摆的控制研究[J]. 科技信息,2009,32:88-89.[2]江晨,王富东. 旋转式倒立摆系统的算法研究及仿真[J]. 工业控制计算机,2010,05:54-56.[3]程俊,王永,黄南晨,吴刚,卿志远,孙德敏. 旋转式倒立摆计算机控制系统[J]. 电机与控制学报,2001,04:277-280.[4]李红星,骆柄璋,李刚阳. 旋转式倒立摆的状态变量合成模糊控制[J]. 北京联合大学学报(自然科学版),2006,04:15-18.[5]姜倩,管凤旭. 旋转式倒立摆的镇定和摆起控制的研究[J]. 哈尔滨商业大学学报(自然科学版),2007,03:322-324.[6]李凌,袁德成,井元伟. 旋转式倒立摆系统控制策略研究[J]. 实验室研究与探索,2006,01:21-23+46.[7]王敏,苏晓鹭,王淼. 旋转式倒立摆控制策略[J]. 大连海事大学学报,2007,S2:155-157+161.[8]娄万军,张晓娟,杨继宏. 基于模糊逻辑控制的倒立摆系统[J]. 大众科技,2004,07:54-57.[9]徐静. 旋转式倒立摆的稳定控制研究[D].山东大学,2009.[10]江晨. 旋转式倒立摆的控制算法研究及实验系统设计[D].苏州大学,2010.[11]贺廉云. 基于模糊控制的旋转式倒立摆控制算法研究[D].山东大学,2006.[12]Q. Feng, K. Yamafugi. Design and simulation of control systems of an invertedpendulum. Robotica, 6 (1988), p. 235[13] Maravall, Darío. Hybrid fuzzy control of the inverted pendulum via verticalforces.International Journal of Intelligent Systems, Volume 20, February 2005, Pages 195-211[14]Kim, Hyun-Ki; Lee, Dong-Jin; Oh, Sung-Kwun. Design of optimized fuzzycontroller for rotary inverted pendulum system using differential evolution.Transactions of the Korean Institute of Electrical Engineers, Volume 60, February 2011, Pages 407-415方法要求：1．了解旋转式倒立摆及模糊控制算法的相关知识2．设计基于LQR的自校正模糊控制器，改善旋转倒立摆模糊控制系统的动态特性3．利用模糊控制方法的控制在平衡点附近达到非常理想效果4．实现硬件连接，进行实物控制，增强了控制器的适用范围5. 对已经完成的工作进行总结，进一步改善系统控制性能过程要求：查阅资料，方案论证与设计，实验论证，得出结论。

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

大学课程设计-直线一级倒立摆控制系统设计

摘要倒立摆系统是一个典型的快速、多变量、非线性、不稳定系统，对倒立摆的控制研究无论在理论上和方法上都有深远的意义。

本论文以实验室原有的直线一级倒立摆实验装置为平台，重点研究其PID控制方法，设计出相应的PID控制器，并将控制过程在MATLAB上加以仿真。

本文主要研究内容是：首先概述自动控制的发展和倒立摆系统研究的现状；介绍倒立摆系统硬件组成，对单级倒立摆模型进行建模，并分析其稳定性；研究倒立摆系统的几种控制策略，分别设计了相应的控制器，以MATLAB为基础，做了大量的仿真研究，比较了各种控制方法的效果；借助固高科技MATLAB实时控制软件实验平台；利用设计的控制方法对单级倒立摆系统进行实时控制，通过在线调整参数和突加干扰等，研究其实时性和抗千扰等性能；对本论文进行总结，对下一步研究作一些展望。

关键词：一级倒立摆，PID，MATLAB仿真目录第1章MATLAB仿真软件的应用 (9)1.1 MA TLAB的基本介绍 (9)1.2 MA TLAB的仿真 (9)1.3 控制系统的动态仿真 (10)1.4 小结 (12)第2章直线一级倒立摆系统及其数学模型 (13)2.1 系统组成 (13)2.1.1 倒立摆的组成 (14)2.1.2 电控箱 (14)2.1.3 其它部件图 (14)2.1.4 倒立摆特性 (15)2.2 模型的建立 (15)2.2.1 微分方程的推导 (16)2.2.2 传递函数 (17)2.2.3 状态空间结构方程 (18)2.2.4 实际系统模型 (20)2.2.5 采用MA TLAB语句形式进行仿真 (21)第3章直线一级倒立摆的PID控制器设计与调节 (34)3.1 PID控制器的设计 (34)3.2 PID控制器设计MA TLAB仿真 (36)结论 (41)致谢 (42)参考文献 (43)第1章 MATLAB仿真软件的应用1.1 MATLAB的基本介绍MTALAB系统由五个主要部分组成，下面分别加以介绍。

毕业设计任务书01

哈尔滨理工大学毕业设计（论文）任务书学生姓名：金吉显学号：0304020933学院：自动化学院专业：自动化任务起止时间：2007 年3 月5日至 2007 年6 月26日毕业设计（论文）题目：倒立摆系统的输出反馈设计毕业设计工作内容：1、项目来源：倒立摆是理想的自动控制教学实验设备，目前自动化实验室已经引进了多台倒摆装置。

2、目的意义：一直以来许多控制理论研究者将倒立摆作为典型的对象，并不断从中发掘出新的控制理论与控制算法。

3、主要工作内容：研究倒立摆输出反馈的鲁棒性.4、工作进度表3月5 日—3月16日查找并整理相关资料3月17日—3月30日建立小车-倒摆系统的数学模型3月31日—4月13日系统的最优状态反馈设计4月14日—4月27日设计观测器4月28日—5月11日输出反馈控制器设计5月12日—5月25日输出反馈与状态反馈的鲁棒性对比分析5月26日—6月26日撰写毕业论文，准备答辩资料：1. 王广雄, 张静. 输出反馈的局限性. 哈尔滨工业大学学报.,2003.2. 黄永宣. 自动平衡倒置摆系统. 控制理论与应用,1987.3. Ishida T, Ganeko S. Consideration of control of an inverted pendulum (in Japanese) . The19th Symposium on Control Theory, Kobe, Japan, 1990.4.. 薛定宇. 控制系统计算机辅助设计MATLAB语言及应用. 清华大学出版社,1996.5. 张晓华. 控制系统数字仿真与CAD. 机械工业出版社,1999.指导教师意见：同意签名：2007年3月5日系主任意见：签名：2007年3月5日教务处制表哈尔滨理工大学毕业设计（论文）任务书学生姓名：孟繁强学号：0304020426学院：自动化学院专业：自动化任务起止时间：2007 年3 月5日至 2007 年6 月26日毕业设计（论文）题目：最优控制在倒立摆系统中的应用毕业设计工作内容：1、项目来源：倒立摆是理想的自动控制教学实验设备,目前自动化实验室已经引进了多台倒摆装置.2、目的意义：倒立摆是典型的非最小相位系统，一直以来许多控制理论学者将它作为研究的对象，并不断从中发掘出新的控制理论与控制算法.3、主要工作内容：应用该设备来验证新的最优设计方法.4、工作进度表3月5 日—3月16日查找并整理相关资料，进行课题设计的前期准备工作3月17日—3月30日最优控制的频率特性分析3月31日—4月13日建立小车-倒摆系统的数学模型4月14日—4月27日应用对称根轨迹确定最佳状态阵组合4月28日—5月11日计算以u为输出的系统H2范数5月12日—5月25日小车-倒摆系统的最佳状态反馈设计5月26日—6月26日撰写毕业论文,并准备答辩.资料：1. 张静, 王广雄. 混合最优/H2设计. 电机与控制学报, 2003.2. 黄永宣. 自动平衡倒置摆系统. 控制理论与应用, 1987.3. Franklin G F, Powell J D, Emami-Naeini A. Feedback control of dynamic systems. Addison- Wesley, Reading, Mass., 1986.4. Doyle J C, Glover K, Khargonekar P, Francis B. State-space solutions to standard H2 and H control problems[J]. IEEE Trans. Autom.Contr, 1989.5. 张晓华. 控制系统数字仿真与CAD. 机械工业出版社, 1999.指导教师意见：同意签名：2007年3月5日系主任意见：签名：2007年3月5日教务处制表哈尔滨理工大学毕业设计（论文）任务书学生姓名：周学浩学号：0304020425学院：自动化学院专业：自动化任务起止时间：2007 年3 月5日至 2007 年6 月26日毕业设计（论文）题目：新的极点配置方法在非最小相位系统中的应用毕业设计工作内容：1、项目来源：非最小相位系统有一系列设计上的特点，但一般在讨论非最小相位系统时大都只围绕着非最小相位这一单个环节来进行分析，更没有从鲁棒设计的角度进行讨论；2、目的意义：对非最小相位系统的鲁棒设计极限进行研究，具有重要的理论意义，且有助于提高学生的理论研究能力；3、主要工作内容：研究非最小相位系统的鲁棒设计极限.4、工作进度表3月5 日—3月16日查找并整理相关资料，进行课题设计的前期准备工作3月17日—3月30日对新的方法进行详细的分析3月31日—4月13日推导不稳定非最小相位系统的归一化方程4月14日—4月27日设计非最小相位零点a=1.414时的控制器4月28日—5月11日设计a=3.317时的控制器5月12日—5月25日设计a=7.14时的控制器并进行鲁棒性分析5月26日—6月26日对课题设计内容进行总结，并撰写毕业论文.资料：1. 王广雄, 张静, 朱井泉. 挠性系统的鲁棒控制设计. 控制与决策. 2003.2. 王广雄, 张静. 非最小相位系统的鲁棒性设计极限. 控制与决策. 2003.3. 王广雄,袁欣,何朕. 不稳定对象的PID控制. 控制与决策，2002.4. 薛定宇. 控制系统计算机辅助设计MATLAB语言及应用. 清华大学出版社.1996.5. 张晓华. 控制系统数字仿真与CAD. 机械工业出版社, 1999.指导教师意见：同意签名：2007年3月5日系主任意见：签名：2007年3月5日教务处制表哈尔滨理工大学毕业设计（论文）任务书学生姓名：徐兰兰学号：0304020526学院：自动化学院专业：自动化任务起止时间：2007 年3 月5日至 2007 年6 月26日毕业设计（论文）题目：新的极点配置方法在挠性系统中的应用毕业设计工作内容：1、项目来源：挠性系统由于具有弱阻尼的谐振模态而不容易控制，尤其谐振频率和阻尼比等参数有摄动时控制系统的性能更不容易保证；2、目的意义：卫星姿态控制系统就属于这类挠性系统，对该系统的研究，有助于提高学生对实际系统的解决能力；3、主要工作内容：应用新的极点配置方法对卫星姿态系统进行设计.4、工作进度表3月5 日—3月16日查找并整理相关资料，进行课题设计的前期准备工作3月17日—3月30日建立卫星姿态系统的数学模型3月31日—4月13日针对卫星姿态系统的特点提出设计方案4月14日—4月27日对新的方法进行详细的分析4月28日—5月11日应用新的极点配置方法对卫星姿态系统进行设计5月12日—5月25日对设计后的系统进行性能分析5月26日—6月15日对课题设计内容进行总结并撰写毕业论文6月16日—6月26日准备答辩资料：1. 王广雄, 张静, 朱井泉. 挠性系统的鲁棒控制设计. 控制与决策. 2003.2. Wang shaopeng,Chow Joe H.Low-order controller design for SISO systems using coprime factors and LMI. IEEE Trans on Automat Control,2000.3. Franklin G F,Powell J D,Emami-Naeini A.Feedback control of dynamic systems. Addison-Wesley, Reading, Mass,1986.4. 薛定宇. 控制系统计算机辅助设计MATLAB语言及应用. 清华大学出版社.1996.5. 张晓华. 控制系统数字仿真与CAD. 机械工业出版社, 1999.指导教师意见：同意签名：2007年3月5日系主任意见：签名：2007年3月5日教务处制表哈尔滨理工大学毕业设计（论文）任务书学生姓名：麻蕾学号：0304020331学院：自动化学院专业：自动化任务起止时间：2007 年3 月5日至 2007 年6 月26日毕业设计（论文）题目：卫星姿态控制系统设计毕业设计工作内容：1、项目来源：卫星姿态控制系统是卫星控制中重要的组成部分2、目的意义：控制系统关系着入轨后的卫星能否对惯性参考坐标系以一定的精度保持在预定的方位或指向上，姿态稳定控制系统保证了飞行器以预定的姿态精度保持在轨道上运行的功能；3、主要工作内容：对卫星姿态系统进行设计.4、工作进度表3月5 日—3月16日查找并整理相关资料，进行课题设计的前期准备工作3月17日—3月30日建立卫星姿态系统的数学模型3月31日—4月13日系统控制方案论证和确定4月14日—4月27日线性系统设计4月28日—5月11日线性系统的仿真5月12日—6月1日加入喷气力矩器与磁力矩器时系统的仿真6月2日—6月17日对课题设计内容进行总结并撰写毕业论文6月18日—6月26日准备答辩资料：1. 王广雄.《控制系统设计》，宇航出版社，19922. 胡恒章.《航天器控制》，宇航出版社，19973. 章仁为.卫星轨道姿态动力学与控制，北京航空航天大学出版社，19984. 薛定宇. 控制系统计算机辅助设计MATLAB语言及应用. 清华大学出版社.1996.5. 张晓华. 控制系统数字仿真与CAD. 机械工业出版社, 1999.指导教师意见：同意签名：2007年3月5日系主任意见：签名：2007年3月5日教务处制表哈尔滨理工大学毕业设计（论文）任务书学生姓名：仲光时学号：0304020209学院：自动化学院专业：自动化任务起止时间：2007 年3 月5日至 2007 年6 月26日毕业设计（论文）题目：不稳定零动态解开设计方法研究毕业设计工作内容：1、项目来源：倒立摆是理想的自动控制教学实验设备，目前自动化实验室新近引入了多台倒摆装置；2、目的意义：应用现有的倒摆设备对著名学者Isidori最近提出的零动态解开法进行研究，具有重要的理论意义；3、主要工作内容：研究不稳定零动态解开法的鲁棒性.4、工作进度表3月5 日—3月16日查找并整理相关资料，进行课题设计的前期准备工作3月17日—3月30日对零动态解开法进行详细的分析3月31日—4月13日建立系统的数学模型，并用零动态解开法进行设计4月14日—4月27日建立辅助回路并设计辅助控制器4月28日—5月11日将辅助控制器转化为以x2为输出的输出反馈控制器5月12日—5月25日求小车-倒摆系统的输出反馈控制器5月26日—6月1日对系统的鲁棒性进行分析6月2日—6月26日对课题设计内容进行总结，并撰写毕业论文.资料：1. 王广雄, 张静. 不稳定零动态解开设计的鲁棒性. 自动化学报. 2004.2. 黄永宣. 自动平衡倒置摆系统. 控制理论与应用.1987.3. Isidori A. A tool for semiglobal stabilization of uncertain non-minimum-phase nonlinear systems via output feedback . IEEE Trans. Automatic Control, 2000.4. 薛定宇. 控制系统计算机辅助设计MATLAB语言及应用. 清华大学出版社.1996.5. 张晓华. 控制系统数字仿真与CAD. 机械工业出版社, 1999.指导教师意见：同意签名：2007年3月5日系主任意见：签名：2007年3月5日教务处制表哈尔滨理工大学毕业设计（论文）任务书学生姓名：王继雨学号：0304020708学院：自动化学院专业：自动化任务起止时间：2007 年3 月5日至 2007 年6 月26日毕业设计（论文）题目：小车-倒摆系统的经典设计毕业设计工作内容：1、项目来源：倒立摆是理想的自动控制教学实验设备, 目前自动化实验室已经引进了多台倒摆装置；2、目的意义：以倒立摆作为对象, 研究经典控制理论，有助于提高学生解决问题的能力；3、主要工作内容：采用经典理论对倒摆系统进行分析设计.4、工作进度表3月5 日—3月16日查找并整理相关资料3月17日—3月30日确立系统控制方案3月31日—4月13日建立系统数学模型4月14日—4月27日跟轨迹法控制器设计4月28日—5月11日频率特性法控制器设计5月12日—5月25日控制系统仿真(simulik)5月26日—6月26日撰写毕业论文，准备答辩资料：1. 王广雄. 控制系统设计. 宇航出版社，19912. 夏德黔. 自动控制原理. 机械工业书版社.1989.3. 薛定宇. 控制系统计算机辅助设计MATLAB语言及应用. 清华大学出版社. 1996.5. 张晓华. 控制系统数字仿真与CAD. 机械工业出版社,1999.指导教师意见：签名：2007年3月5日系主任意见：签名：2007年3月5日教务处制表。

课程设计任务书-Read

课程设计任务书学生姓名：专业班级：指导教师：工作单位：题目: 单级移动倒立摆建模及串连滞后校正初始条件：要求完成的主要任务:（包括课程设计工作量及其技术要求，以及说明书撰写等具体要求）1、研究该装置的非线性数学模型，并提出合理的线性化方法，建立该装置的线性数学模型－传递函数（以u为输入，θ为输出）；2、用Matlab对系统进行稳定性分析,并求其阶跃响应.时间安排：1.15～16 明确设计任务，建立非线性模型1.17～19 线性化，设计校正装置1.23～24 仿真分析，撰写课程设计报告指导教师签名：年月日系主任（或责任教师）签名：年月日目录1 系统介绍2 单级倒立摆的数学模型3 系统稳定性分析4 分析相角裕度和截止频率5 系统仿真6 总结与体会参考文献单级移动倒立摆建模及串连滞后校正摘要倒立摆系统是一个典型的非线性、强耦合、多变量和不稳定系统，作为控制系统的被控对象，通过以单级倒立摆为被控对象，来掌握控制系统的数学模型的建立方法和及控制系统的调试方法，掌握MATLAB仿真软件的使用方法。

本次课程设计包含如下几个内容：[1]研究该装置的非线性数学模型，并提出合理的线性化方法，建立该装置的线性数学模型－传递函数（以u为输入，为输出）；[2]用画根轨迹方法对系统进行稳定性分析,用BODE图求出系统的相角裕度和截止频率.[3]用Matlab求系统阶跃响应.1 系统介绍单级倒立摆系统的结构示意图如图1所示。

图1 单级倒立摆系统示意图图示为一个倒立摆装置，该装置包含一个小车和一个安装在小车上的倒立摆杆。

由于小车在水平方向可适当移动，因此，控制小车的移动可使摆杆维持直立不倒。

21,0.2,0.5,10/M kg m kg l m g m s ====系统组成的框图如图2所示。

图2 单级倒立摆系统组成框图系统通过给小车施加外力，使摆杆与小车相互作用，达到平衡，维持不倒。

2 单级倒立摆的数学模型对系统建立数学模型是系统分析、设计的前提，为了简化分析，忽略空气阻力，仅考虑小车与倒立摆之间的摩擦力。

直线小车一级倒立摆控制策略研究毕业设计[管理资料]

Firstly, on the basis of referring to lots of foreign and civil references, the paper summarizes the background，meaning and research direction of the inverted pendulum;Then after making a brief accout for inverted pendulum’s composition and theory,the paper derives the mathematical model of double inverted pendulum,This establishes a good foundation for the research of controlling complex or other types of inverted pendulum until better control strategy. Whereafter, the instability and controllability of the systemarethesis mainly discusses the control methods ofPID control,optimalcontrolandinverted pendulum system based on poles calculations and simulation researches on the stability of inverted pendulum have been done using Matlab andSimulink.
Key_words:inverted pendulum,PID control,optimal control,pole assignment

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。

单级倒立摆稳定控制

课程设计任务书学生姓名：王建华专业班级：自动化1005班指导教师：陈跃鹏工作单位：自动化学院题目: 单级移动倒立摆建模及串连超前校正初始条件：要求完成的主要任务: （包括课程设计工作量及其技术要求，以及说明书撰写等具体要求）1、研究该装置的非线性数学模型，并提出合理的线性化方法，建立该装置的线性数学模型－传递函数（以u 为输入，θ为输出）；2、要求系统输出动态性能满足,1%,3.4%s t s ≤≤σ试设计串连超前校正装置。

3、用Matlab 对校正后的系统进行仿真分析，比较校正装置加在线性化前的模型上和线性化后的模型上的时域相应有何区别，并说明原因。

时间安排：指导教师签名：年月日/10,1,1.0,1s m g m l kg m kg M ====系主任（或责任教师）签名：年月日目录摘要 (1)1.一级倒立摆数学模型建立 (2)1.1一级倒立摆的组成 (2)1.2应用牛顿力学建立系统数学模型 (2)1.3数学模型的线性化 (4)2.校正前系统动态性能分析 (4)2.1待校正系统阶跃响应曲线 (4)2.2待校正系统根轨迹分析 (5)3.串联超前校正设计分析 (6)3.1系统校正前性能指标要求分析 (6)3.2校正环节设计分析 (7)3.3校正后系统动态性能分析 (8)3.4系统参数的修正 (9)4.SIMULINK仿真设计 (11)4.1MATLAB及SIMULINK (11)4.2绘制系统仿真结构图并进行S IMULINK仿真 (11)5.系统校正前后动态性能比较 (13)5.1待校正系统的阶跃响应曲线、根轨迹图、B ODE图和N YQUIST图 (13)5.2校正以后系统的阶跃响应曲线、根轨迹图、B ODE图和N YQUIST图 (13)6.小结 (14)7.心得体会 (15)8.附录倒立摆在MATLAB中自带的倒立摆模型 (16)参考文献 (18)摘要在控制理论发展的过程中，某一理论的正确性及在实际中的可行性需要一个按其理论设计的控制器去控制一个典型对象来验证，倒立摆就是这样一个对象。

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。

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。

倒立摆课程设计任务书(2014)[1]

4．倒立摆系统的最优控制算法设计
用状态空间法设计控制器，使得当在小车上施加0.2m的阶跃信号时，闭环系统的响应指标为：
（1）摆杆角度和小车位移的稳定时间小于5秒
（2）的上升时间小于1秒
（3）的超调量小于20度（0.35弧度）
（4）稳态误差小于2%。
指导教师签字：系（教研室）主任签字：
课程设计
基本信息
学生姓名：学号：
专业：班级：
课程设计名称：
课程设计地点：
课程设计内容目录页码
1、课程设计题目与任务书...……………………………………………......[2]
2、课程设计用仪器设备名称...……………………………………………..[ ]
3、课程设计过程……...……………………………………………………..[ ]
4、课程设计心得、建议等……...…………………………………………..[ ]
教师评语及课程设计成绩
评语：
成绩：
课程设计（论文）任务书
专业
班级
学生
指导教师
题目
一阶倒立摆课程设计
子题
设计时间
年月日至年月日共2周
设计要求
设计（论文）的任务和基本要求，包括设计任务、查阅文献、方案设计、说明书（计算、图纸、撰写内容及规范等）、工作量等内容。
1．建立一阶倒立摆数学模型
2．做模型仿真试验
（1）给出M。
3．倒立摆系统的PID控制算法设计
设计PID控制器，使得当在小车上施加1N的脉冲信号时，闭环系统的响应指标为：
（1）稳定时间小于5秒
（2）稳态时摆杆与垂直方向的夹角变化小于0.1弧度
并作PID控制算法的MATLAB仿真

单级倒立摆控制器设计与实现(本科毕业论文)

控制方法是在倒立摆系统中研究的核心内容。因为对倒立摆这样一个典型的非线性、不稳定、复杂的被控对象进行研究, 无论在理论上还是在方法上都具有重要的意义, 各种控制理论和方法都可以在这里得到充分的验证，并且可以促成不同方法之间的有机结合.到目前为止，倒立摆系统的控制方法主要分为线性控制、预测控制和智能控制三大类。
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。

一阶倒立摆课程设计报告4

哈尔滨工业大学控制科学与工程系控制系统设计课程设计报告姓名：院（系）：英才学院专业：自动化班号：任务起至日期：课程设计题目：直线一级倒立摆控制器设计已知技术参数和设计要求：本课程设计的被控对象采用固高公司的直线一级倒立摆系统GIP-100-L。

系统内部各相关参数为:M小车质量0.5kg; m摆杆质量0.2kg; b小车摩擦系数0.1N/m/sec; l摆杆转动轴心到杆质心的长度0.3m; I摆杆惯量0.006kg*m*m; T采样时间0.005秒。

设计要求：1.推导出系统的传递函数和状态空间方程。

用Matlab进行阶跃输入仿真，验证系统的稳定性。

2.设计PID控制器，使得当在小车上施加0.1N的脉冲信号时，闭环系统的响应指标为：（1）稳定时间小于5秒；（2）稳态时摆杆与垂直方向的夹角变化小于0.1弧度。

3.设计状态空间极点配置控制器，使得当在小车上施加0.2m的阶跃信号时，闭环系统的响应指标为：（1）摆杆角度错误！未找到引用源。

和小车位移x的稳定时间小于3秒（2）x的上升时间小于1秒（3）错误！未找到引用源。

的超调量小于20度（0.35弧度）（4）稳态误差小于2%。

工作量：1.建立直线一级倒立摆的线性化数学模型；2.倒立摆系统的PID控制器设计、Matlab仿真及实物调试；3.倒立摆系统的极点配置控制器设计、Matlab仿真及实物调试。

工作计划安排：第3周：（1）建立直线一级倒立摆的线性化数学模型；（2）倒立摆系统的PID控制器设计、Matlab仿真；（3）倒立摆系统的极点配置控制器设计、Matlab仿真。

第4周：实物调试；撰写课程设计论文。

同组设计者及分工：各项工作独立完成指导教师签字年月日教研室主任意见：教研室主任签字年月日*注：此任务书由课程设计指导教师填写。

一．直线一阶倒立摆简介倒立摆是进行控制理论研究的典型实验平台。

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。