旋轉(zhuǎn)式倒立擺的穩(wěn)定控制研究

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1、山東大學碩士學位論文摘要倒立擺穩(wěn)定控制是一個經(jīng)典的控制問題。作為典型的快速、多變量、非線性、絕對不穩(wěn)定系統(tǒng)，一直是控制理論與應(yīng)用的熱點問題，不但是驗證現(xiàn)代控制理論方法的典型實驗裝置，而且其控制方法和思路在一般工業(yè)過程亦有廣泛的用途，因此倒立擺系統(tǒng)的研究具有重要的理論研究和實際應(yīng)用價值。許多抽象的控制概念如控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性、可控性、系統(tǒng)收斂速度和系統(tǒng)抗干擾能力等，都可以通過倒立擺系統(tǒng)直觀的表現(xiàn)出來。倒立擺系統(tǒng)的高階次、不穩(wěn)定、多變量、非線性和強耦合等特性使得許多現(xiàn)代控制理論的研究人員一直將它視為研究對象

2、。他們不斷從研究倒立擺控制方法中發(fā)掘出新的控制方法，并將其應(yīng)用于航天科技和機器入學等各種高新科技領(lǐng)域。本文利用線性二次最優(yōu)控制和模糊控制兩種方法對旋轉(zhuǎn)式倒立擺進行穩(wěn)定控制研究，仿真和實驗結(jié)果證明了所采用控制方法的有效性。論文主要工作如下：闡述了倒立擺系統(tǒng)控制的研究發(fā)展過程和現(xiàn)狀，利用牛頓力學分析法建立旋轉(zhuǎn)式倒立擺系統(tǒng)的動態(tài)方程，然后對得到的動態(tài)方程在平衡點附近進行線性化處理，得出其線性化方程，最后對倒立擺系統(tǒng)進行了能控性分析，證明倒立擺系統(tǒng)是自然不穩(wěn)定系統(tǒng)，但在平衡點是能控的。利用線性二次最優(yōu)控制對旋

3、轉(zhuǎn)倒立擺進行了穩(wěn)定控制仿真研究。適當選取最優(yōu)狀態(tài)加權(quán)陣，求得最優(yōu)狀態(tài)反饋陣，然后對旋轉(zhuǎn)倒立擺進行穩(wěn)定控制仿真研究。運用最優(yōu)控制方法設(shè)計最優(yōu)狀態(tài)變量合成函數(shù)，減少模糊控制器輸入變量的維數(shù)，成功解決了材規(guī)則爆炸"問題。分析量化因子對控制效果的影響，采用非線性量化因子，從而提升模糊控制器的性能品質(zhì)。利用Matlab／SimulinkI具進行了旋轉(zhuǎn)倒立擺模糊控制系統(tǒng)的仿真研究。該工具使模型的建立更具靈活性，給仿真帶來很大方便，從而成功實現(xiàn)旋轉(zhuǎn)倒立擺模糊控制的仿真。在VC控制平臺上，利用線性二次最優(yōu)控制和模糊控

4、制兩種方法，編寫旋轉(zhuǎn)倒立擺穩(wěn)定控制算法程序，成功實現(xiàn)了旋轉(zhuǎn)倒立擺的穩(wěn)定控制。仿真結(jié)果證明：所設(shè)計的模糊控制器可以實現(xiàn)旋轉(zhuǎn)倒立擺系統(tǒng)的穩(wěn)定控制。山東大學碩士學位論文最后將該控制算法運用到倒立擺實物系統(tǒng)中，也取得了令人滿意的控制效果。Il關(guān)鍵詞：倒立擺：線性二次最優(yōu)控制；模糊控制山東大學碩士學位論文ABSTRACTStabilitycontrolofinvertedpendulumisaclassiccontrolproblem．Asatypical，multi—variable，non-linear,a

5、bsolutelyinstablesystem，invertedpendulumhasbeenthehotissuesofcontroltheoryandapplications．Invertedpendulumisatypicalexperimentalsetuptoverifymodemcontroltheorymethods，andthecontrolmethodsandideasarewidelyusedingeneralindustrialprocess．Sotheinvertedpendu

6、lumsystemhasanimportanttheoreticalsignificanceandpracticalsignificance．Invertedpendulumsystemcanshowmanyabstractconceptssuchasstabilitycontrol，controllability,systemspeedandconvergence，anti·interferenceability．Manyresearcherswhostudymodemcontroltheoryha

7、vealwaysregardedinvertedpendulumasstudyingobject，becauseithascharacteristicssuchasmultivariable，nonlinearandstrongcoupling．Theyhaveexplorednewcontrolmethodsfrominvertedpendulumresearchandusedinspacetechnologyandstudyonavarietyofhi曲一techscienceandtechnol

8、ogy．Inthispaper,twomethods，linearquadraticoptimalcontrolandfuzzycontrolforthestabilityofinvertedpendulum，wereused．Simulationandexperimentalresultsprovedtheeffectivenessofcontrolmethodsused．Mainworkofthethesisisasfollows：Thedevelo