状态空间极点配置在倒立摆控制系统中的应用 开题报告

状态空间极点配置在倒立摆控制系统中的应用 开题 报告 软件系统测试报告下载sgs报告如何下载关于路面塌陷情况报告535n,sgs报告怎么下载竣工报告下载 长江大学 毕业 设计 领导形象设计圆作业设计ao工艺污水处理厂设计附属工程施工组织设计清扫机器人结构设计 开题报告 题 目 名 称 状态空间极点配置在倒立摆控制系统的应用 院 ,系, 电子信息学院 专 业 班 级 学 生 姓 名 指 导 教 师 辅 导 教 师 开题报告日期 闭环极点的配置在倒立摆控制系统中的应用 学 生: XXX 电子信息学院 指导教师: XX 电子信息学院 一、 题目来源 全国大学生电子设计竞赛题目 二、 研究目的和意义 倒立摆系统是一个比较复杂的，带有快速、高阶次、多变量、严重非线性绝对不稳定和非最小相位系统的机电系统，它的稳定控制是控制理论应用的一个典型范例。倒立摆系统一直是控制理论中非常典型的实验设备，也是控制理论教学和科研中不可多得的典型物理模型。虽然它的 数学 数学高考答题卡模板高考数学答题卡模板三年级数学混合运算测试卷数学作业设计案例新人教版八年级上数学教学计划 模型复杂但倒立摆系统的稳定控制能非常直观地说明控制理论的优点和有效性，同时它还涉及到系统辨识、非线性系统等方面，所以倒立摆系统的控制一直是控制领域研究的热点。 倒立摆系统的最初研究开始于二十世纪五十年代，麻省理工大学电机工程系设计出单级倒立摆系统这个实验设备。后来在此基础上，人们又进行拓展，产生了各式各样的倒立摆:有悬挂式倒立摆、平行倒立摆、环形倒立摆、平面倒立摆;倒立摆的级数有一级、二级、三级、四级乃至多级;倒立摆的运动轨道可以是水平的，也可以是倾斜的。倒立摆系统已成为控制领域中不可或缺的研究设备和验证各种控制策略有效性的实验平台，本设计主要针对直线倒立摆进行研究。 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设计的控制器去控制一个典型对象来验证，倒立摆系统作为一个实验装置，结构简单、构件组成参数和形状易于改变、成本低廉，其控制效果可以通过其稳定性直观地体现。作为一个多用途的综合性实验装置，倒立摆系统的控制作为控制理论研究中的一种较为理想的实验手段，通常有着用来检验控制策略有效性的功能。倒立摆仿真或实物控制实验是控制领域中用来检验某种控制理论或方法的典型方案。 研究倒立摆系统除了较强的理论意义，同时还具有广泛的实践意义。控制理论中许多抽象的概念如稳定性，能控性，快速性和鲁棒性，都可以通过倒立摆系统直观的表现出来，同时其动态过程与人类的行走姿态类似，其平衡与火箭的发射姿态调整类似，因此倒立摆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现实意义，相关的科研成果已经应用到航天科技和机器人学等诸多领域。因此倒立摆系统的研究，对于火箭发射及机器人控制等高新技术的研究都有非常重要的理论指导意义。 三、 阅读的主要参考文献及资料名称 1] 粟梅，贺伟平，伍侠云，唐文英. 倒立摆的简易现代控制[J].控制工程. 2004,11(2):180-183. [2] 杨亚炜，张明廉. 倒立摆系统的运动模态分析[J].北京航空航天大学学报.2002,28(2): 165-168 [3] 王孝莉.倒立摆智能控制系统的研究[D].济南:山东大学.2007 [4] 张水立，程会锋，李洪兴. 三级倒立摆的自动摆起与稳定控制[J].控制理论与应用.2011,28(1): 37-45. [5] 任祖华.倒立摆系统的智能控制研究[D].武汉:华中科技大学.2006 [6] 丛爽，张冬军，魏衡华. 单级倒立摆三种控制方法的对比研究[J].系统工程与电子技术. 2001,23(11): 47-50. [7] 王俊. 基于倒立摆的三种控制策略的研究[D]. 武汉:湖北工业大学.2008.. [8] 杨世勇，刘殿通，谭翚. 倒立摆与控制理论研究[J].控制理论与应用. 2011,30(5):164-167. [9] 冯冰. 二级倒立摆的模糊控制[D]. 上海:上海交通大学.2006. [10] 马燕，夏超英. 单级旋转倒立摆的自抗扰控制[J].电气传动.1995,27(2): 39-41. [11] 蒋国飞，吴沧浦. 基于Q学习算法和BP神经网络的倒立摆控制[J].自动化学报.1998,24(5):662-666. [12] 杨振强，朴营国，程树康. 二级倒立摆的状态变量合成模糊神经网络控制[J].控制与决策. 2002,17(1):123-126. [13] 汪雪琴，朱群雄. 基于改进的表格查询法的二级倒立摆模糊控制[J].北京化工大学学报.2006,33(1): 102-104. [14] 刘金琨. 先进PID控制及其MATLAB仿真[M]. 北京: 电子工业出版社，2003. [15] 周瑞. 倒立摆系统控制方法研究[D]. 华中科技大学.2007. [16] 付莹. 基于教学机器人的倒立摆的控制系统的研究[D].上海: 上海交通大学.2003. 四、国内外现状和发展趋势与研究的主攻方向 早在20世纪60年代，人们就开始了对倒立摆系统的研究。1966年Schacfer和Cannon应用Bang-Bang控制理论，将一个曲轴稳定于倒置位置。到了20世纪60年代后期，倒立摆作为一个典型不稳定、非线性的例证被提出。自此，对于倒立摆系统的研究便成了控制界关注的焦点。 倒立摆的种类很多，有悬挂式倒立摆、平行倒立摆、环形倒立摆、平面倒立摆;倒立摆的级数可以是一级、二级、三级、四级乃至多级;倒立摆的运动轨道可以是水平的，还可以是倾斜的(这对实际机器人的步行稳定控制研究更有意义); 控制电机可以是单电机，也可以是多级电机。 目前有关倒立摆的研究主要集中在亚洲，如中国的北京师范大学、北京航空航天大学、中国科技大学;日本的东京工业大学、东京电机大学、东京大学;韩国的釜山大学、忠南大学，此外，俄罗斯的圣彼得堡大学、美国的东佛罗里达大学、俄罗斯科学院、波兰的波兹南技术大学、意大利的佛罗伦萨大学也对这个领域有持续的研究。近年来，虽然各种新型倒立摆不断问世，但是可自主研发并生产倒立摆装置的厂家并不多。目前，国内各高校基本上都采用香港固高公司和加拿大Quanser公司生产的系统;其它一些生产厂家还包括(韩国)奥格斯科技发展有限公司(FT-4820型倒立摆)、保定航空技术实业有限公司;最近，郑州微纳科技有限公司的微纳科技直线电机倒立摆的研制取得了成功。 倒立摆的研究具有重要的工程背景: (1) 机器人的站立与行走类似双倒立摆系统，尽管第一台机器人在美国问世至今已有三十年的历史，机器人的关键技术——机器人的行走控制至今仍未能很好解决。 (2) 在火箭等飞行器的飞行过程中，为了保持其正确的姿态，要不断进行实时 控制。 (3) 通信卫星在预先计算好的轨道和确定的位置上运行的同时，要保持其稳定的姿态，使卫星天线一直指向地球，使它的太阳能电池板一直指向太阳。 (4) 侦察卫星中摄像机的轻微抖动会对摄像的图像质量产生很大的影响，为了提高摄像的质量，必须能自动地保持伺服云台的稳定，消除震动。 (5) 为防止单级火箭在拐弯时断裂而诞生的柔性火箭(多级火箭)， 其飞行姿态的控制也可以用多级倒立摆系统进行研究。由于倒立摆系统与双足机器人，火箭飞行控制和各类伺服云台稳定有很大相似性，因此对倒立摆控制机理的研究具有重要的理论和实践意义。 鲁棒控制是自动控制领域 20 世纪末最重要的研究结果之一。简单地说鲁棒控制处理的是不确定性对象，这种不确定性包括外部扰动、模型参数变化未建模动态(即模型与实际系统差异)、 执行器的误差等等。 鲁棒控制算法在倒立摆中的应用，尽管这方面的研究工作还没有充分展开，但从已有的一些研究成果不难推断出，鲁棒控制方法是解决倒立摆这一对象非线性、复杂性和不确定性的一种工具。鲁棒控制的发展方向是面向不确定性的研究对象，如何将其研究成果与实际应用相结合，解决不确定系统的控制问题，或使已有的控制系统具有更强的鲁棒性，这是一项艰巨而复杂的工作。倒立摆是一个验证理论的正确性及实际应用中的可行性的典型对象。通过将鲁棒控制算法应用到倒立摆中来验证鲁棒控制算法优越性，最终将鲁棒算法的实际应用更进一步。 五、主要研究内容、需重点研究的关键问题及解决思路 1. 主要研究的内容: 对倒立摆系统数学建模分析，建立控制方程，然后matlab仿真，确定极点控制的可行性。 2(重点研究的关键问题及解决思路: a)倒立摆系统特性分析 倒立摆系统是典型的机械电子系统。无论哪种类型的倒立摆系统都具有如下特性: 1.欠冗余性。一般地，倒立摆控制系统采用单电机驱动，因而它与冗余结构，比如说冗余机器人有较大不同。之所以采用欠冗余是要在不失系统可靠性的前提下节约经济成本或者有效的空间。 2.不确定性。主要是指建立系统数学模型时的参数误差、测量噪声以及机械传动过程中的非线性因素所导致的难以量化的部分。 3.耦合特性。倒立摆摆杆和小车之间，以及多级倒立摆系统的上下摆杆之间都是强耦合的。这既是可以采用单电机驱动倒立摆控制系统的原因，也是使得控制系统的设计、控制器参数调节变得复杂的原因。 4.开环不稳定系统。倒立摆系统有两个平衡状态:竖直向下和竖直向上。竖直向下的状态是系统稳定的平衡点，而竖直向上的状态是系统不稳定的平衡点，开环时 [3]微小的扰动都会使系统离开竖直向上的状态而进入到竖直向下的状态中。 针对以上倒立摆的特性，在建模时，为了简单起见，一般忽略掉系统中一些次要的难以建模的因素，例如空气阻力、伺服电机的静摩擦力、系统连接处的松弛程度、摆杆连接处质量分布不均匀、传动皮带的弹性以及传动齿轮的间隙等等。将小车抽象为质点，摆杆抽象为匀质刚体，摆杆绕转轴转动，这样可以建立系统较为精确的数学模型。 B)倒立摆控制方法的介绍 对于倒立摆的控制从上个世纪 70 年代后期就开始了。倒立摆系统本身提供了用经典控制理论解决单输入多输出系统的控制方法。早期国内外对它的控制一般采 [4]用现代控制理论。在近期特别是近几年智能控制理论逐渐开始应用在倒立摆的稳定控制中。下面就将倒立摆控制方法做一下总结: 3.1 PID控制法 PID 控制是由反馈系统偏差的比例(P)、积分(I),微分(D)的线性组合构成的反馈控制律。由于它具有原理简单、直观易懂、易于工程实现、鲁棒性强等一系列优点，多年以来它一直是工业过程控制中应用最广泛的一类控制算法。对于倒立摆控制的早期一般按常规 PID 理论进行控制:通过对倒立摆物理模型的分析，应用牛顿力学理论建立倒立摆的动力学模型，然后利用工程数学知识将物理模型变成传递函 [5]数形式。应用频域理论适当选择系统带宽、相角裕度和幅值裕度进行控制。 常规 PID 控制器设计原理简单，有较好动态和静态特性，在实际现场中运行的控制系统有广泛的应用。但常规的 PID 算法在处理非线性、时变对象、未知对象模 型等较复杂系统时难以获得较好的控制。所以现在一般都将其他理论与 PID 方法进行优势互补、共同使用，如将自适应模糊控制理论与 PID 联合使用，将单纯模糊控制理论与 PD 控制相结合及将分流模型理论与 PID 的结合。 3.2 极点配置的状态反馈控制 这种方法是现代控制理论中的经典方法:通过极点配置理论将系统的极点分布到 S 左半平面的预先指定的区域而使系统达到稳定性能指标的同时获得较好的瞬态性能。由于倒立摆控制系统的状态不能全部由检测装置直接测得所以要使用状态观测器，因此常常选择状态反馈和 Kalman 滤波相结合的方法，实现对倒立摆的控制。这种控制方法对经验的依赖大一些，如何选择期望极点成为控制性能好坏的关[6]键。 3.3 最优控制法 线性二次型调节器问题是现代控制理论研究的一个重要的领域，因为线性二次型(LQ)性能指标易于分析、处理和计算，而且通过线性二次型最优设计方法得到的倒立摆系统控制方法，具有较好的鲁棒性与动态特性以及能够获得线性反馈结构等 [7]优点，所以其在实际的倒立摆控制系统设计中得到了广泛的应用。 最优控制理论主要是依据 Pontriagin 极大值原理，通过对性能指标的优化寻求可以使目标极小的控制器。在线性控制系统中，线性二次型性能指标因为可以通 并且随着计算机技术的进步，求解过程变得过求解 Ricatti 方程得到控制器参数， 越来越简便，因而为线性多变量系统的控制器设计提供了一种有效的方法。 3.4 模糊控制 模糊控制是以模糊集合论、模糊语言变量及模糊逻辑推理等作为理论依据，以传感器技术、计算机技术和自动控制理论为基础的一种新型的自动控制理论和控制方法。它在一定程度上模仿了人的控制，不需要准确的控制对象数学模型，是一种 [8]智能控制方法，尤其适用于那些人们无法建立精确数学模型的物理对象或过程。模糊控制通过确定模糊规则，设计出模糊控制器来实现对倒立摆的控制。 模糊控制不需要建立被控对象精确的数学模型, 只要求把现场操作人员的成功经验总结成完善的语言控制规则, 因此它能够绕过对象的不确定性、不精确和非线 [9]性等影响, 尤其适用于难以精确建模的非线性复杂对象。基于这些优点, 在对于倒立摆这类复杂对象控制问题的研究中, 模糊控制恐怕是迄今为止被应用得最多的智能控制方法。但在设计的过程中, 普遍存在一些困难, 如模糊控制器设计中的多变量问题, 当系统的输入变量很多时, 控制规则可能选取的空间会急剧增大, 便会现所谓的“维数灾”问题。还有就是模糊变量隶属函数的选取和优化, 这是一个多参数的寻优问题, 一般情况下很难全局最优。而这些问题恰恰是多变量模糊控制器设计中最难以解决的问题。 3.5 神经网络控制 神经网络控制是指利用工程技术手段模拟人脑神经网络的结构和功能的一种技术系统，它是一种大规模并行的非线性动力学系统，其本质是通过网络的变换的动力学行为获得某种并行分布式的信息处理功能，并在不同层次和程度上模仿人脑神经系统的信息处理功能。神经网络控制具有信息的分布存储、并行处理以及自学习能力等优点。 神经网络能够任意充分地逼近复杂的非线性关系，能够学习与适应严重不确定性系统的动态特性，所有定量或者定性的信息都等势分布储存于网络内的各种神经元，故有很强的鲁棒性和容错性，也可以将 Q 学习算法和 BP 神经网络有效结合，实现状态未离散化的倒立摆的无模型学习控制。 3.6 算法结合控制 使用几种控制算法相结合实现倒立摆的控制:比如模糊自适应控制，分散鲁棒自适应控制，模糊PID控制等等，这些结合算法在倒立摆系统的控制中取得了很好地效果。将Q学习算法和BP神经网络有效结合，实现了状态未离散化的倒立摆的无模型学习控制。 4.软件MATLAB MATLAB是矩阵实验室的简称，是美国MathWorks公司出品的商业数学软件，用于算法开发，数据可视化，数据分析以及数值计算的高级技术语言和交互式环境，主要包括MATLAB和Simulink两大部分。 5.倒立摆控制的意义 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设计的控制器去控制一个典型对象来验证，倒立摆系统作为一个实验装置，结构简单、构件组成参数和形状易于改变、成本低廉，其控制效果可以通过其稳定性直观地体现。作为一个多用途的综合性实验装置，倒立摆系统的控制作为控制理论研究中的一种较为理想的实验手段，通常有着用来检验控制策略有效性的功能。倒立摆仿真或实物控制实验是控制领域中用来检验某种控制理论或方法的典型方案。 研究倒立摆系统除了较强的理论意义，同时还具有广泛的实践意义。控制理论中许多抽象的概念如稳定性，能控性，快速性和鲁棒性，都可以通过倒立摆系统直观的表现出来，同时其动态过程与人类的行走姿态类似，其平衡与火箭的发射姿态调整类似，因此倒立摆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现实意义，相关的科研成果已经应用到航天科技和机器人学等诸多领域。因此倒立摆系统的研究，对于火箭发射及机器人控制等高新技术的研究都有非常重要的理论指导意义。 六、完成毕业设计(论文)所必须具备的工作条件(如工具书、计算机辅助设计、某类市场调研、实验设备和实验环境条件等) (1)PC机一台 七、 工作的主要阶段、进度与时间安排 1. 准备阶段 2月22号--3月5号 拟划毕业设计的整体方案并完成开题报告 2. 收集信息阶段 3月6号--3月16号 查找相关资料并做好记录 3. 设计阶段 3月17号--4月10号 根据相关资料设计出具体方案 4. 调式阶段 4月11号--5月10号 按照设计方案进行设计调试并接受中期检查 5. 完善阶段 5月11号--6月5号 检查、修改错误并优化设计 6. 论文答辩阶段 6月6号--6月10号 八、 指导教师审查意见