自动控制理论课程设计---直线一级倒立摆控制器设计.doc

课程设计说明书（论文） 课程名称： 自动控制理论 设计题目： 直线一级倒立摆控制器 院 系： 电气工程系 课程设计任务书 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 0.5 Kg ；摆杆质量0.2 Kg ；b小车摩擦系数0.1 N/m/sec ； 摆杆转动轴心到杆质心的长度0.3 m ；mlI摆杆惯量0.006 kg*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，验证控制对象的稳定性。 2．采用传统的时域或频域设计方法设计PID控制器，并给出设计步骤，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?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）?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。 目录 1 前言 5 2 倒立摆控制理论研究现状 6 2.1 经典控制理论的方法 6 2.2 现代控制理论的方法 6 2.3 智能控制理论的方法 6 2.4 用模糊控制理论控制倒立摆 7 2.5 用神经网络控制理论控制倒立摆 7 2.6 模糊控制与神经网络控制相结合控制倒立摆 7 2.7 神经网络与遗传算法结合控制倒立摆 7 2.8 神经网络与预测控制算法相结合控制倒立摆 7 2.9 用拟人智能控制的方法控制倒立摆 8 2.10 用云模型控制倒立摆 8 3 直线一级倒立摆系统介绍 9 4 固高倒立摆系统试验平台介绍 10 5 直线一级倒立摆的建模分析 13 5.1 直线一级倒立摆的状态方程的建立 13 5.2 直线一级倒立摆系统的性能分析 15 6 直线一级倒立摆的控制 16 6.1 一阶直线倒立摆的PID控制 16 6.2 一阶直线倒立摆的极点配置法 19 6.3 一阶直线倒立摆的线性最优控制 23 7 总结 28 8 参考文献 29  前言 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。倒立摆就是这样一个被控制对象倒立摆系统是一个多变量、快速、非线性和自然不稳定系统。在控制过程中能有效地反映控制中的许多关键问题，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，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，其实验效果直观显著，当新的控制理论与方法出现后，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。 早在60 年代人们就开始了对倒立摆系统的研究1966 年Schaefer 和Cannon 应用Bang Bang控制理论将一个曲轴稳定于倒置位置在60 年代后期作为一个典型的不稳定严重非线性证例提出了倒立摆的概念并用其检验控制方法对不稳定非线性和快速性系统的控制能力受到世界各国许多科学家的重视从而用不同的控制方法控制不同类型的倒立摆成为具有挑战性的课题之一倒立摆的种类很多有悬挂式倒立摆平行倒立