倒立摆毕业设计开题报告.doc

电信学院毕业设计（论文）开题报告
姓 名
王yong
专业
自动化
班级
（ ）班
学 号
06222222
指导教师
Minsu
题目类型
技术研究
题 目
基于模糊PID控制的直线二级倒立摆仿真设计
一、 选题背景及依据（简述题目的技术背景和设计依据，说明选题目的、意义，列出主要参考文献）
1、 毕业设计的技术背景和设计依据
在控制理论发展的过程中，某一理论的正确性及实际应用中的可行性需要一个按其理论课程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被控对象。倒立摆系统具有多变量、快速、非线性和自然不稳定等特性，在控制过程中能有效反映许多关键问题，如非线性问题、系统的鲁棒性问题、随动问题、镇定问题及跟踪问题等。倒立摆系统的控制效果可以通过其稳定性直观地体现，也可以通过摆杆角度、小车位移和稳定时间直接度量，其实验效果显著、直观。
当新的控制理论与方法出现以后，可以用倒立摆对其正确性和实用性加以物理验证，并对各种方法进行快捷、有效、生动的比较。
2、 选题目的依据和意义
倒立摆系统作为一个实验装置，形象直观，结构简单，构件组成参数和形状易于改变，成本低廉；作为一个被控对象，它又相当复杂，就其本身而言，是一个高阶次、不稳定、多变量、非线性、强耦合系统，只有采取行之有效的控制方法方能使之稳定。
理论是工程的先导，倒立摆的研究具有重要的工程背景。机器人行走类似倒立摆系统，尽管第一台机器人在美国问世以来已有几十年的历史，但机器人的关键技术至今仍未很好解决。由于倒立摆系统的稳定与空间飞行器控制和各类伺服云台的稳定有很大相似性，也是日常生活中所见到的任何重心在上、支点在下的控制问题的抽象。因此，倒立摆机理的研究又具有重要的应用价值，成为控制理论中经久不衰的研究课题。
3、 参考文献
1.胡寿松 自动控制原理－4版 北京：科学出版社，2001
2.李洪兴，苗志宏，王加银 四级倒立摆系统的变域论自适应模糊控制 《中国科学》E辑，2002，32（1）：65-75
3.张葛祥，李众立 倒立摆与自动控制技术研究《西南工学院学报》，16卷，3期
4.崔平，翁正新 基于状态空间极点配置的倒立摆平衡控制 《实验室研究与探索》22卷2期，2003.4
5.Zushu Li,Qingchun Chen.Human SimulatingIntelligent Control and its Application to Swinging-up of Cart-pendulum
6.Li Hongxing Wang jianyin Gu Yundong Feng Yanbin .Hardware Implementation of the Quadruple Inverted pendulumwith Single Moter

二、主要设计（研究）内容、设计（研究）思想、解决的关键问题、拟采用的技术方案及工作流程
1、毕业设计的任务
1、熟练掌握《现代控制理论》课程内容的基础上，在教师的指导下查阅有关倒立摆的书籍、论文，熟悉倒立摆建模、编程、仿真流程。
2、会对被控对象使用微分方程建立传递函数和状态空间数学模型。
3、根据数学模型以matlab为课程设计平台，结合PID、模糊控制等经典控制算法进行建模、仿真，并分析仿真结果
4、针对被控对象进行实时控制，改进算法，总结
5、针对直线一级倒立摆进行顺摆建模及仿真实验
6、撰写课程设计说明书
7、以目前国外最前沿的相关论文作为外文资料翻译
2、毕业设计的主要内容
1、设计说明书装订及外文阅读翻译要求
1、论文（不少于31.5页，约2万字左右）
2、中、英文摘要（中文摘要约200字，3—5个关键词）
3、外文资料翻译（约5000汉字）
4、译文、参考文献、设计总结、致谢、封底等。
2.课程设计过程要求：
1)充分利用所学基础理论知识，根据课程设计题目要求，自学相关所需知识，提高知识的综合应用能力和创新能力；
2)遵守学校有关课程设计的规章制度；
3)按时、独立、创新地完成课程设计任务。
3、实际系统的模型参数如下：
M 小车质量　　　 1.096Kg
m　　　　　摆杆质量 0.109Kg
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 0.25m
I　　　　　　摆杆惯量　　　 0.0034Kg*m*m
4、设计图纸要求
运用Auto CAD完成以下图纸的绘制：
工艺流程逻辑关系图 2号 1张
系统电气原理图 1号 1张
3、设计实现的主要功能及技术指标

1）实现直线二级倒立摆的仿真控制；
2）可以用倒立摆对其正确性和实用性加以物理验证，并对各种方法进行快捷、有效的比较；
3）实验效果显著、直观。
4、设计思想
通过对二级倒立摆结构构成及平衡控制问题的分析，给出基于牛顿力学定律的数学建模方法，并应用二次型最优控制理论实现二级倒立摆控制。根据MATLAB仿真结果表明，建模方法可行，采用二次型最优控制对系统进行控制，能满足控制系统稳定性、鲁棒性要求。
二级倒立摆系统的最佳控制利用最佳控制理论对其状态重构，构建最佳反馈离散控制器，并合理选择Riccati方程中的Q、R矩阵，设计离散控制降维观测器获得最佳反馈矩阵。由于不同离散时间和相应的不同矩阵其结果不完全相等，故对得到结果进行计算分析，最终选取一组较好参数作为离散时间和相关矩阵，以实现最佳控制。
5、解决的关键问题
1）、MATLAB 环境下建立二级倒立摆的半物理实时仿真模型；
2）、有效地反映诸如可整定性、鲁棒性、随动性、镇定、非线性问题以及跟踪；
3）、对仿真结果进行深入分析 。
二、 毕业设计（论文）工作进度安排

设 计（论文） 内 容
周数
日期
完成情况
导师签字
查阅资料，熟悉被控对象，翻译外文资料
1

对被控对象进行建立传递函数和状态空间模型
1.5

熟悉matlab软件，求系统响应
0.5

熟悉各种控制算法
1

在matlab中进行仿真实验，并分析仿真结果
2

结合仿真实验进行实时控制
2

结合编码器、电机的仿真控制课程设计直线型一级顺摆模型
1

在matlab中进行仿真实验，并分析、调试仿真结果
1

整理课程设计论文
2

指 导

教 师

意 见

指导教师签字___________
年 月 日

院 系
毕 业
设 计
领 导
小 组
审 核
意 见

系主任___________ 教学院长___________
年 月 日 年 月 日