二级倒立摆系统稳定控制方法研究_论文

西安工业大学北方信息工程学院本科毕业设计(论文)

题目：二级倒立摆系统稳定控制

方法研究

系别：电子信息系

专业：自动化

班级：

姓名：

学号：

导师：

年月

毕业设计（论文）任务书

系（部）电子信息系专业自动化班姓名学号

1.毕业设计（论文）题目：二级倒立摆系统稳定控制方法研究

2.题目背景和意义：本课题是个理论研究课题，对控制理论的研究有较高的应用价值，也对实际生产过程有广泛的应用价值。课题内容紧密结合自动化专业教学要求。通过本课题，学生可以深入了解分析问题和解决问题的方法，能够把所学理论知识应用于实际问题中，学会Matlabhe和Simulink的软件编程及系统的仿真分析方法。

3.设计(论文)的主要内容（理工科含技术指标）：（1）查阅资料深入了解倒立摆系统的结构和特点，以及目前的发展情况。（2）研究倒立摆系统的建模方法，并进行方案的选择和比较，建立倒立摆系统的模型（3）研究倒立摆系统稳定控制方法，并进行方案的选择和比较，进行算法分析和研究，选择合适的方法对倒立摆系统进行稳定控制（4）研究软件编程的方法，编写代码，完成整个系统的设计；学习Simulink仿真系统的方法，对各种方案进行仿真比较。（5）系统调试及结果分析。（6）与题目有关的英文资料翻译（要求：汉字3000以上）（7）撰写毕业设计论文，字数在一万五千左右。

4.设计的基本要求及进度安排（含起始时间、设计地点）：起止时间2011.11—2012.5设计地点：西安工业大学金花校区。完成任务书规定的设计内容，提交相应的设计成果。

1—3周：查阅有关资料，对课题有清楚的了解认知，准备开题答辩。4—7周：倒立摆建模，认真研究其特点。对开环系统进行仿真。8-12周：研究倒立摆系统稳定控制方法，并进行方案的选择和比较，进行算法分析和研究，选择合适的方法对倒立摆系统进行稳定控制；准备中期答辩，完成外文资料翻译。13—15周：研究软件编程的方法，编写代码，学习Simulink 仿真系统的方法，调试系统，进行实验；16—17周：编写毕业论文。18周：完善论文，准备答辩

5.毕业设计（论文）的工作量要求

①实验（时数）*

或实习（天数）：实验100学时左右

②图纸（幅面和张数）*

：A4 2-3张

③其他要求：

指导教师签名：年月日

学生签名：年月日

系主任审批：年月日说明：1本表一式二份，一份由学生装订入附件册，一份教师自留。

2 带*项可根据学科特点选填。

二级倒立摆系统稳定控制方法研究

摘要

倒立摆控制系统是一个多变量，非线性，强耦合的系统，在自动控制理论中验证控制算法优劣的试验装置。本文通过对二级直线倒立摆的数学建模和仿真分析，分别运用极点配置法、最优控制中的线性二次型最优控制方法，对倒立摆系统的稳定控制效果进行了仿真分析，从理论上讨论了这种典型的非线性不稳定系统的线性控制器的设计方法，通过仿真分析指出不同方法之间的优缺点。

关键词：倒立摆系统；极点配置；最优控制；仿真

Two Stage Inverted Pendulum System Stability Control

Method Research

Abstract

The inverted pendulum system is difficult to control because it is a typical high order system, with multivariable, strong-coupling, fleet and. It becomes the wonderful experiment device to verify how the control strategy in automatic. Based on the two linear mathematical inverted pendulum modeling and simulation, respectively, using pole assignment method, optimal control linear quadratic optimal control method, the inverted pendulum effect of stability control system simulation analysis From the theoretical discussion of this typical nonlinear unstable system of linear controller design method, simulation analysis indicated that the advantages and disadvantages between the different methods

.

Key words:Inverted-pendulum System;Pole Assignment;Optimal Control; Simulation

目录

1 绪论 (1)

1.1倒立摆的原理与分类 (1)

1.1.1 倒立摆的种类 (1)

1.1.2 倒立摆的特性 (2)

1.1.3 倒立摆试验台的工作原理 (2)

1.2研究的意义 (3)

1.3控制方法 (4)

1.4倒立摆的研究现状 (5)

1.5本文的目的 (6)

2 二级倒立摆的模型建立 (6)

2.1建立数学模型 (6)

2.2系统能控能观性分析 (11)

2.2.1 能控性能观性的基本概念 (11)

2.2.2 倒立摆系统的能控能观性的判断 (12)

2.4系统稳定性分析 (13)

2.5本章小结 (15)

3 基于状态空间的极点配置算法 (16)

3.1极点配置概述 (16)

3.2本章小结 (17)

4 基于状态空间的最优控制算法 (18)

4.1关于线性二次型最优控制（LQR） (18)

4.1.1 状态调节器的选择 (18)

4.2Q阵和R阵的选择方法 (19)

4.3本章小结 (20)

5 仿真分析 (21)

5.1仿真工具MATLAB简介 (21)

5.2SIMULINK仿真 (25)

5.2.1 simulink 简介 (25)

5.3闭环系统的仿真分析 (24)