倒立摆系统控制方法分析-控制理论与控制工程专业论文.docxVIP

华中科技 大学硕士 学 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 I I 摘 要 倒立摆系统是一种多变量，非线性，强耦合和快速运动的自然不稳定系统。通 常用来检验控制方法对非线性和快速变化系统的控制能力，是控制理论研究中较为 理想的实验装置。在研究双足机器人直立行走，火箭发射过程的姿态调整和直升机 飞行控制领域中有重要的理论和现实意义。 本文以倒立摆系统为研究对象，介绍了倒立摆系统的各种控制方法，包括现代 控制理论方法，预测控制和变结构控制方法以及智能控制方法，对智能控制中的几 种常见方法如模糊控制，神经网络控制，拟人智能控制和仿人智能控制进行了较为 详细的介绍。 采用分析力学中的 Lagrange 方程推导了倒立摆系统的数学模型，与采用牛顿力 学定律方法相比，大大简化了建模的复杂性，并分别对一二级倒立摆系统在平衡点 附近进行了可控性分析。 以一级倒立摆为基础，研究了经典控制方法在倒立摆系统中的应用，包括根轨 迹校正分析，PID 控制器和系统频率响应分析与系统校正等。并在 SIMULINK 仿真平 台上对这些控制算法的效果进行仿真。 根据倒立摆系统的特点和输入变量之间存在的内在联系，利用模糊逻辑系统构 造模糊组合变量，提出一种基于模糊组合变量的加权控制方法实现对二级倒立摆的 稳定控制。并给出仿真结果，分析了量化因子等对模糊控制器的影响。 最后介绍了固高倒立摆系统，简要介绍了系统的各个组成部分，采用 LQR 控制 器进行了二级倒立摆系统的仿真和实物控制实验，并对实验结果进行了对比分析。 关键词：倒立摆; 数学模型; 模糊控制; 融和函数; 最优控制 II II Abstract Inverted pendulum system is multivariable, nonlinear, strong-coupling and instability naturally. It is a rather perfect experiment tool in the research of automation. The research of inverted pendulum has many important theoretic realistic meanings in the research such as the walking of biped robot, the lunching process of rocket and the flying control of helicopter. This thesis uses inverted pendulum system as a research object. Research background and various control methods of the inverted pendulum system are introduced ，as well as modern control, variable-structure control, fuzzy control, and neural net control methods and so on. Compared with Newton mechanics, Lagrange equation of Analysis mechanics is used to build inverted pendulum mathematical model. It simplifies the process of building model greatly. Then the controllability of inverted pendulum system near the balance position is researched based on the model. The application of the classic control theory is studied on the base of 1-stage pendulum, include system regulation base on the analysis of root locus and frequency response and, PID controller. The simulation experiments results are presented using the SIMULINK. Depended on the characteristic of inverted pendulum and internal relation of input variable,