畢業(yè)設(shè)計（論文）_基于卡爾曼濾波的倒立擺控制系統(tǒng)噪聲抑制

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1、基于卡爾曼濾波的倒立擺控制系統(tǒng)噪聲抑制作者姓名：指導(dǎo)教師：單位名稱：流程工業(yè)綜合自動化國家重點實驗室專業(yè)名稱：自動化東北大學(xué)2007年6月TitlebySupervisor:NortheasternUniversityJune2007東北大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計（論文）畢業(yè)設(shè)計（論文）任務(wù)書畢業(yè)設(shè)計（論文）任務(wù)書畢業(yè)設(shè)計（論文）題目：基于卡爾曼濾波的倒立擺控制系統(tǒng)噪聲抑制設(shè)計(論文)的基本內(nèi)容：（1）了解倒立擺系統(tǒng)。（2）對倒立擺系統(tǒng)進(jìn)行建模。（3）辨識倒立擺系統(tǒng)參數(shù)。（4）倒立擺平衡控制，包括將動力學(xué)模型線性化、仿真、實驗等。（5）學(xué)習(xí)卡爾曼濾波

2、，并應(yīng)用該方法實現(xiàn)倒立擺系統(tǒng)的噪聲抑制。（6）總結(jié)研究成果，撰寫畢業(yè)論文。畢業(yè)設(shè)計（論文）專題部分：題目：　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　設(shè)計或論文專題的基本內(nèi)容：學(xué)生接受畢業(yè)設(shè)計（論文）題目日期　　　　　　　　　　　　　第　1　周指導(dǎo)教師簽字：-VI-東北大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計（論文）畢業(yè)設(shè)計（論文）任務(wù)書2012年　2月　27　日-VI-東北大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計（論文）畢業(yè)設(shè)計（論文）任務(wù)書基于卡爾曼濾波的倒立擺控制系統(tǒng)噪聲抑制摘要關(guān)鍵詞：-VI-東北大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計（論文）畢業(yè)設(shè)計（論文）任務(wù)書TitleAbs

3、tractKeywords：-VI-東北大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計（論文）畢業(yè)設(shè)計（論文）任務(wù)書目錄畢業(yè)設(shè)計（論文）任務(wù)書I摘要IIAbstractIII目錄IV第一章緒論11.1課題背景及研究的目的和意義11.2狀態(tài)估計算法的研究概述3第二章二級倒立擺系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型62.1二級倒立擺系統(tǒng)實驗軟硬件條件62.2二級倒立擺系統(tǒng)的動力學(xué)模型72.2.1拉格朗日方程72.2.2二級倒立擺的模型72.3小結(jié)13第三章二級倒立擺系統(tǒng)參數(shù)辨識143.1能量法辨識方程建立153.2辨識實驗173.2.1辨識程序?qū)崿F(xiàn)173.2.2參數(shù)辨識的物理實驗19第四章二級倒立

4、擺平衡點控制204.1基于LQR方法設(shè)計平衡控制器204.1.1控制理論介紹204.1.2控制器設(shè)計204.1.2.1下平衡控制器設(shè)計224.1.2.2上平衡控制器設(shè)計234.2仿真以實際實驗效果234.2.1仿真實驗效果234.2.2仿真曲線254.3實際實驗效果264.3.1下平衡點平衡控制264.3.2上平衡點平衡控制28-VI-東北大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計（論文）畢業(yè)設(shè)計（論文）任務(wù)書4.4小結(jié)29第五章Kalman濾波器設(shè)計305.1Kalman濾波器基本形式305.2Kalman濾波器設(shè)計315.3Kalman濾波器仿真實驗與分析325

5、.4小結(jié)35第六章結(jié)論與展望36參考文獻(xiàn)37致謝38第一章-VI-東北大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計（論文）畢業(yè)設(shè)計（論文）任務(wù)書第一章緒論1.1課題背景及研究的目的和意義在控制理論發(fā)展的過程中，某一理論的正確性及實際應(yīng)用中的可行性需要一個按此理論設(shè)計的控制器去控制一個典型對象來驗證，倒立擺系統(tǒng)就是控制領(lǐng)域中的典型對象之一。倒立擺系統(tǒng)作為一個典型的單輸入多輸出、非線性、強(qiáng)禍合、自然不穩(wěn)定的系統(tǒng)，從理論上將涉及系統(tǒng)控制中的很多關(guān)鍵問題:如非線性問題、魯棒性問題、鎮(zhèn)定問題、隨動問題以及跟蹤問題等，而且結(jié)構(gòu)簡單、構(gòu)件組成參數(shù)和形狀易于改變、成本低廉，其控制效果

6、可以通過其穩(wěn)定性直觀地體現(xiàn)。因此，作為一個多用途的綜合性實驗裝置，倒立擺系統(tǒng)成為控制領(lǐng)域中不可或缺的研究設(shè)備和驗證控制策略有效性的實驗平臺早在二十世紀(jì)50年代，麻省理工大學(xué)電機(jī)工程系的控制論專家根據(jù)火箭發(fā)射助推器原理設(shè)計出了單級倒立擺系統(tǒng)的模型。在70年代，人們對倒立擺實物系統(tǒng)進(jìn)行了實際研制[1,2]。后來在此基礎(chǔ)上，人們又不斷進(jìn)行拓展，產(chǎn)生了許多新的倒立擺結(jié)構(gòu)。對于現(xiàn)階段被重點研究并制作出實物平臺的倒立擺，大體可以分為直線倒立擺與平面倒立擺兩類。其中直線倒立擺包括二級倒立擺、多級倒立擺、環(huán)形倒立擺、球車系統(tǒng)、簡易倒立擺等，平面倒立擺主要包

7、括XY平臺平面倒立擺和兩自由度旋轉(zhuǎn)機(jī)械臂平面倒立擺兩種類型。(a)火箭助推器(b)兩足步行機(jī)器人圖1.1倒立擺原理的典型應(yīng)用-38-東北大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計（論文）畢業(yè)設(shè)計（論文）任務(wù)書倒立擺的研究具有重要的工程背景，其控制方法在軍工、航天、機(jī)器人和一般工業(yè)過程領(lǐng)域中都有著廣泛的用途，如兩輪電動車的平衡控制、機(jī)器人行走過程中的平衡控制、火箭發(fā)射中的垂直度控制和衛(wèi)星飛行中的姿態(tài)控制等均涉及到倒置問題。因此對倒立擺控制機(jī)理的研究具有重要的理論和實踐意義。對于倒立擺系統(tǒng)，位移及擺角信號在傳輸過程中不可避免的會引入噪聲干擾，有時噪聲干擾甚至?xí)?yán)重影響對

8、系統(tǒng)的穩(wěn)定控制，對于模擬信號尤甚。信號噪聲干擾是工程領(lǐng)域和人們生活中的一大公害。最常見的噪聲干擾比如:收音機(jī)遠(yuǎn)離發(fā)射臺時發(fā)出的雜音，電視屏幕上的雪花點，或是引起模/數(shù)轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換錯