[信息與通信]基于卡爾曼濾波的二級(jí)倒立擺研究

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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：王清超指導(dǎo)教師：楊春雨副教授單位名稱：流程工業(yè)綜合自動(dòng)化國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室專業(yè)名稱：自動(dòng)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(jì)（論文）畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）任務(wù)書(shū)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）任務(wù)書(shū)畢業(yè)設(shè)計(jì)（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(jì)(論文)的基本內(nèi)容：（1）了解倒立擺系統(tǒng)。（2）對(duì)倒立擺系統(tǒng)進(jìn)行建模。（3）辨識(shí)倒立擺系統(tǒng)參數(shù)。（4）倒立擺平衡控制，包

2、括將動(dòng)力學(xué)模型線性化、仿真、實(shí)驗(yàn)等。（5）學(xué)習(xí)卡爾曼濾波，并應(yīng)用該方法實(shí)現(xiàn)倒立擺系統(tǒng)的噪聲抑制。（6）總結(jié)研究成果，撰寫(xiě)畢業(yè)論文。畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）專題部分：題目：　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　設(shè)計(jì)或論文專題的基本內(nèi)容：學(xué)生接受畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）題目日期　　　　　　　　　　　　　第　1　周指導(dǎo)教師簽字：2012年　2月　27　日-V-東北大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）任務(wù)書(shū)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：-V-東北大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）畢業(yè)設(shè)

3、計(jì)（論文）任務(wù)書(shū)TitleAbstractKeywords：-V-東北大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）任務(wù)書(shū)目錄畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）任務(wù)書(shū)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(jì)算法的研究概述3第二章二級(jí)倒立擺系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型62.1二級(jí)倒立擺系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)軟硬件條件62.2二級(jí)倒立擺系統(tǒng)的動(dòng)力學(xué)模型72.2.1拉格朗日方程72.2.2二級(jí)倒立擺的模型72.3小結(jié)13第三章二級(jí)倒立擺系統(tǒng)參數(shù)辨識(shí)143.1能量法辨識(shí)方程建立153.2辨識(shí)實(shí)驗(yàn)173.

4、2.1辨識(shí)程序?qū)崿F(xiàn)173.2.2參數(shù)辨識(shí)的物理實(shí)驗(yàn)19第四章二級(jí)倒立擺平衡點(diǎn)控制204.1基于LQR方法設(shè)計(jì)平衡控制器204.1.1控制理論介紹204.1.2控制器設(shè)計(jì)204.1.2.1下平衡控制器設(shè)計(jì)224.1.2.2上平衡控制器設(shè)計(jì)234.2仿真以實(shí)際實(shí)驗(yàn)效果234.2.1仿真實(shí)驗(yàn)效果234.2.2仿真曲線254.3實(shí)際實(shí)驗(yàn)效果264.3.1下平衡點(diǎn)平衡控制264.3.2上平衡點(diǎn)平衡控制28-V-東北大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）任務(wù)書(shū)4.4小結(jié)29第五章Kalman濾波器設(shè)計(jì)305.1K

5、alman濾波器基本形式305.2Kalman濾波器設(shè)計(jì)315.3Kalman濾波器仿真實(shí)驗(yàn)與分析325.4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-V-東北大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）任務(wù)書(shū)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(guò)程中，某一理論的正確性及實(shí)際應(yīng)用中的可行性需要一個(gè)按此理論設(shè)計(jì)的控制器去控制一個(gè)典型對(duì)象來(lái)驗(yàn)證，倒立擺系統(tǒng)就是控制領(lǐng)域中的典型對(duì)象之一。倒立擺系統(tǒng)作為一個(gè)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

6、中的很多關(guān)鍵問(wèn)題:如非線性問(wèn)題、魯棒性問(wèn)題、鎮(zhèn)定問(wèn)題、隨動(dòng)問(wèn)題以及跟蹤問(wèn)題等，而且結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、構(gòu)件組成參數(shù)和形狀易于改變、成本低廉，其控制效果可以通過(guò)其穩(wěn)定性直觀地體現(xiàn)。因此，作為一個(gè)多用途的綜合性實(shí)驗(yàn)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(yàn)證控制策略有效性的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)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(jì)出了單級(jí)倒立擺系統(tǒng)的模型。在70年代，人們對(duì)倒立擺實(shí)物系統(tǒng)進(jìn)行了實(shí)際研制[1,2]。后來(lái)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(duì)

7、于現(xiàn)階段被重點(diǎn)研究并制作出實(shí)物平臺(tái)的倒立擺，大體可以分為直線倒立擺與平面倒立擺兩類(lèi)。其中直線倒立擺包括二級(jí)倒立擺、多級(jí)倒立擺、環(huán)形倒立擺、球車(chē)系統(tǒng)、簡(jiǎn)易倒立擺等，平面倒立擺主要包括XY平臺(tái)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(lèi)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)-38-東北大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）任務(wù)書(shū)過(guò)程領(lǐng)域中都有著廣泛的用途，如兩輪電動(dòng)車(chē)的平衡控制、機(jī)器人行走過(guò)程中的平衡控

8、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(wèn)題。因此對(duì)倒立擺控制機(jī)理的研究具有重要的理論和實(shí)踐意義。對(duì)于倒立擺系統(tǒng)，位移及擺角信號(hào)在傳輸過(guò)程中不可避免的會(huì)引入噪聲干擾，有時(shí)噪聲干擾甚至?xí)?yán)重影響對(duì)系統(tǒng)的穩(wěn)定控制，對(duì)于模擬信號(hào)尤甚。信號(hào)噪聲干擾是工程領(lǐng)域和人們生活中的一大公害。最常見(jiàn)的噪聲干擾比如:收音機(jī)遠(yuǎn)離發(fā)射臺(tái)時(shí)發(fā)出的雜音，電視屏幕上的雪花點(diǎn)，或是引起模/數(shù)轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換錯(cuò)誤的信號(hào)等等。圖1.2電視雪花希望抑制信號(hào)中的噪聲