倒立擺系統(tǒng)控制研究

電氣自動(dòng)化論文編號(hào):ZD406  論文字?jǐn)?shù):26667,頁(yè)數(shù):57，有開(kāi)題報(bào)告，任務(wù)書(shū)，文獻(xiàn)綜述

目  錄
摘  要 ……………………………………………………………………………………Ⅰ
Abstract……………………………………………………………………………………Ⅱ
第1章  緒論………………………………………………………………………………1
 1.1 倒立擺系統(tǒng)研究的理論意義和工程背景………………………………………1
 1.2 倒立擺系統(tǒng)的基礎(chǔ)理論和控制方法……………………………………………2
第2章  倒立擺系統(tǒng)………………………………………………………………………4
 2.1 倒立擺系統(tǒng)概述…………………………………………………………………4
 2.2 倒立擺系統(tǒng)的硬件組成…………………………………………………………4
 2.3 倒立擺系統(tǒng)的控制軟件…………………………………………………………6
第3章  倒立擺的數(shù)學(xué)模型………………………………………………………………10
 3.1 系統(tǒng)建模的重要性………………………………………………………………10
 3.2 直線一級(jí)倒立擺的牛頓—?dú)W拉方法建模………………………………………10
 3.2.1 微分方程的推導(dǎo)…………………………………………………………10
 3.2.2 傳遞函數(shù)…………………………………………………………………12
 3.2.3 狀態(tài)空間方程……………………………………………………………13
第4章  PID 控制算法的設(shè)計(jì)……………………………………………………………14
 4.1 PID 控制原理……………………………………………………………………14
 4.2 PID 控制器的參數(shù)整定…………………………………………………………15
 4.2.1 PID控制器參數(shù)對(duì)系統(tǒng)性能的影響……………………………………15
 4.2.2 采樣周期的選擇原則…………………………………………………16
 4.3 PID 控制算法設(shè)計(jì)………………………………………………………………17
第5章  模糊控制的數(shù)學(xué)基礎(chǔ)……………………………………………………………20
    5.1 模糊集合論………………………………………………………………………20
 5.1.1 模糊集合的定義…………………………………………………………20
 5.1.2 模糊集合的表示方法……………………………………………………20
 5.1.3 模糊集合的并、交、補(bǔ)運(yùn)算……………………………………………20
 5.1.4 模糊集合的隸屬函數(shù)……………………………………………………21
 5.2 模糊關(guān)系及合成…………………………………………………………………22
 5.2.1 模糊關(guān)系的定義…………………………………………………………22
 5.2.2 模糊關(guān)系的合成…………………………………………………………23
 5.3 模糊推理…………………………………………………………………………23
 5.3.1 模糊邏輯…………………………………………………………………23
 5.3.2 模糊邏輯的基本運(yùn)算……………………………………………………23
 5.3.3 模糊語(yǔ)言和模糊算子……………………………………………………23
 5.3.4 模糊推理…………………………………………………………………24
第6章  模糊控制原理及模糊控制器……………………………………………………27
    6.1 模糊控制的工作原理……………………………………………………………27
 6.1.1 模糊控制系統(tǒng)組成………………………………………………………27
 6.1.2 模糊控制系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)……………………………………………………28
 6.2 模糊控制器設(shè)計(jì)的基本方法……………………………………………………28
 6.2.1 模糊控制器的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)…………………………………………………29
 6.2.2 精確量的模糊化過(guò)程……………………………………………………29
 6.2.3 模糊控制規(guī)則的設(shè)計(jì)……………………………………………………30
 6.2.4 精確化過(guò)程………………………………………………………………32
 6.2.5 論域、量化因子和比例因子的選擇……………………………………33
 6.2.6 模糊控制查詢表及模糊控制算法流程圖………………………………35
 6.3 模糊控制的設(shè)計(jì)…………………………………………………………………37
 6.3.1 模糊控制器的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)…………………………………………………37
 6.3.2 模糊語(yǔ)言變量的確定……………………………………………………37
 6.3.3 模糊語(yǔ)言變量的隸屬度函數(shù)的確定……………………………………37
 6.3.4 模糊控制規(guī)則和模糊關(guān)系的確定………………………………………39
第7章  仿真實(shí)驗(yàn)…………………………………………………………………………41
 7.1 常規(guī)PID控制仿真………………………………………………………………41
 7.2 倒立擺模型的仿真………………………………………………………………44
 7.2.1 MATLAB模糊邏輯工具箱…………………………………………………44
 7.2.2 倒立擺模型的仿真結(jié)果及分析…………………………………………45
總  結(jié)………………………………………………………………………………………49
參考文獻(xiàn)……………………………………………………………………………………50
致  謝………………………………………………………………………………………51

摘要：倒立擺是一個(gè)典型的快速、多變量、非線性、本質(zhì)不穩(wěn)定系統(tǒng)，對(duì)倒立擺系統(tǒng)的研究在理論上和方法論上具有著深遠(yuǎn)的意義。對(duì)倒立擺的研究可以歸結(jié)為對(duì)非線性、多變量、不穩(wěn)定系統(tǒng)的研究。本論文將以模糊控制理論為基礎(chǔ)，采用了模糊控制中的Mamdani模糊推理系統(tǒng)，對(duì)倒立擺的各個(gè)變量進(jìn)行控制，最后將控制過(guò)程在MATLAB上加以仿真。本論文的主要研究?jī)?nèi)容如下：
 （1）綜述倒立擺系統(tǒng)研究的歷史，分析倒立擺的研究現(xiàn)狀和國(guó)內(nèi)外對(duì)倒立擺系統(tǒng)研究近十年的進(jìn)展和取得的成果，并且介紹針對(duì)倒立擺系統(tǒng)的各個(gè)控制方法。
 （2）介紹倒立擺的結(jié)構(gòu)和在工程實(shí)際中的應(yīng)用，并對(duì)倒立擺模型時(shí)行建模，推導(dǎo)出倒立擺模型的狀態(tài)空間表達(dá)式。
 （3）講述模糊控制理論的基本原理及其應(yīng)用。主要敘述模糊控制理論的發(fā)展歷史和應(yīng)用，并對(duì)模糊控制的數(shù)學(xué)基礎(chǔ)和基本理論作了詳盡的闡述。
 （4）著重介紹模糊控制系統(tǒng)和模糊控制器。分析模糊控制系統(tǒng)和模糊控制器的組成和特點(diǎn)，并對(duì)模糊控制器的設(shè)計(jì)方法提供了具體的步驟。
 （5）采用MATLAB仿真軟件的FIS Editor來(lái)建立模糊控制器，然后利用Simulink建立系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)圖來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)倒立擺系統(tǒng)的控制，采用示波器Scope對(duì)倒立擺的各個(gè)變量進(jìn)行波形的顯示，直觀地顯示控制的效果。
關(guān)鍵詞：倒立擺系統(tǒng)；模糊控制；系統(tǒng)仿真

The Research of Inverted pendulum system control

ABSTRACT：Inverted pendulum is a typical model of multivariable，nonlinear，essentially unsteady system, and researching inverted system has the profound meaning in theory and methodology. Researching on inverted pendulum can boil down to the research on nonlinear, multi-variable unsteady system. The article is based on the fuzzy control theory. It controls all the variables in the inverted pendulum with the use of Mamdani FIS to exercise fuzzy control rules. And then it simulates the control process in MATLAB software. The main research contents of this article are as follows：
 Firstly，it gives a review on the research history of inverted pendulum system. It analyzes the improvement and productions on inverted pendulum system in the last ten years around the world. And it also introduces many control ways on inverted pendulum system.
 Secondly，it introduces the structure of inverted pendulum and its application in engineering practice. It establishes the model of the inverted pendulum and deduces the state-space expression of the model.
 Thirdly，it narrates the basic theory and the application of fuzzy control theory. It introduces the developing history and the application and gives a detailed discuss on the mathematic base and the basic theory of the fuzzy control.
 Fourthly，it puts stress on the fuzzy control system and fuzzy controller. It analyzes the composing and the features of the fuzzy control system and it provides material steps for fuzzy controller.
 Fifthly，it establishes the fuzzy controller with FIS Editor in MATLAB software. Then it uses SIMULINK to establish structure chart of the system in order to control the inverted pendulum system. It uses Scope block to display the wave of all kinds of variables in inverted pendulum system and the effect of the control can be easily seen.
KEYWORDS: inverted pendulum system；Fuzzy Logic control；System simulation