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1、 湖南工程学院应用技术学院毕业设计(论文)开题报告学生姓名： 魏浩然 学 号： 200613110126 专 业： 自动化 设计(论文)题目： 单级倒立摆PID控制 指导教师： 胡 慧 2010 年 6 月 开题报告填写要求1开题报告（含“文献综述”）作为毕业设计（论文）答辩委员会对学生答辩资格审查的依据材料之一。此报告应在指导教师指导下，由学生在毕业设计（论文）工作前期内完成，经指导教师签署意见及所在专业审查后生效。2开题报告内容必须用黑墨水笔工整书写或按此电子文档标准格式打印，禁止打印在其它纸上后剪贴，完成后应及时交给指导教师签署意见。3“文献综述”应按论文的格式成文，并直接书写（或打印）
2、在本开题报告第一栏目内，学生写文献综述的参考文献应不少于15篇（不包括辞典、手册），其中至少应包括1篇外文资料；对于重要的参考文献应附原件复印件，作为附件装订在开题报告的最后。4统一用A4纸，并装订单独成册，随毕业设计说明书等资料装入文件袋中。 毕 业 设 计（论 文）开 题 报 告1文献综述：结合毕业设计（论文）课题情况，根据所查阅的文献资料，每人撰写3000字左右的文献综述，文后应列出所查阅的文献资料。文 献 综 述倒立摆，顾名思义，是处于倒置不稳定状态，人为控制使其处于动态平衡的一种种。一般是由一个可以在水平轨道上自由移动的小车和倒置摆铰链而成。倒立摆系统是一个典型的高阶次、多变量、严重
3、不稳定和强耦合的非线性系统，是进行控制理论教学及开展各种控制实验的理想实验平台。对倒立摆系统的研究能有效的反映控制中的许多典型问题：如非线性问题、鲁棒性问题、镇定问题、随动问题以及跟踪问题等。通过对倒立摆的控制，用来检验新的控制方法是否有较强的处理非线性和不稳定性问题的能力。同时，其控制方法在军工、航天、机器人和一般工业过程领域中都有着广泛的用途，如机器人行走过程中的平衡控制、火箭发射中的垂直度控制和卫星飞行中的姿态控制等。由于它的行为尤其与火箭飞行以及两足机器人行走有很大的相似性,因而对其研究具有重大的理论和实践意义。人类对倒立摆的研究可以追溯到上个世纪六十年代。早在1966年Schaefe
4、r和Cannon应用BangBang控制理论，将一个曲轴稳定于倒置位置。到20世纪60年代后期，到立摆作为一个典型不稳定、非线性的例证被提出。自此，对于倒立摆系统的研究便成为控制界关注的焦点。有关倒立摆的研究主要集中在亚洲，遍布世界各地，如中国的北京师范大学、北京航空航天大学、中国科技大学，东京电机大学，东京大学，韩国的釜出大学、忠南大学，俄罗新的圣彼得堡大学、美国的东福罗里达大学、俄罗斯科学院、波兰的波兹南技术大学、意大利的佛罗伦萨大学，也都对这个领域有持续的研究。他们发现倒立摆的种类有很多，接其形式可分为：悬挂式倒立摆、平行式倒立摆、环形倒立摆和平面倒立摆；按级数可分为：一级、二级、三级、
5、多级等；接其运动轨道可分为：水平式、倾斜式；按控制电机又可分为：单电机和多级电机。近年来，最然各种新型倒立摆不断问世，但是可自主研发劳生产倒立摆装置的厂家却不多。目前，国内各高校校基本上都采用香港固高公司和加拿大Queer公司生产的系统；其它一些生产厂家还包括(韩国)奥格斯科技发展有限公司(vr4820型倒立摆)、保定航空技术实业有限公司。现在由中国的北京师范大学李洪兴教授领导的“模糊系统与模糊信息研究中心”暨复杂系统智能控制实验室采用变论域自适应模糊控制成功地实现了四级倒立摆。是世界上第一个成功完成四级倒立摆实验的国家。一、倒立摆系统倒立摆系统是导轨、小车和摆杆组成。小车依靠直流电机施加的控
6、制力，可以在导轨上水平移动，其位移和摆杆角度信息由伺服传感器测得，目标是使倒立摆在有限长的导轨上竖立稳定，最终达到动态平衡。由于不同的控制方法可以使倒立摆呈现出不同的运动模态，如：可以使摆杆由自然下垂状态摆起，达到倒立平衡位置；也可使摆杆在不同角度初始，维持动态平衡状态。二、倒立摆的控制目标倒立摆的控制问题就是使摆杆尽快地达到一个平衡位置，并且使之没有大的振荡和过大的角度和速度。当摆杆到达期望的位置后，系统能克服随机扰动而保持稳定的位置。三、倒立摆的控制方法将倒立摆系统的非线性模型进行近似线性化处理，获得系统在平衡点附近的线性化模型，再利用各种线性控制方法得到期望的控制器。线性控制的典型代表有
7、：状态反馈控制、LQ控制算法等、PID控制。311状态反馈控制状态反馈的极点配置法是倒立摆控制的一种基本策略。极点配置法通过设计状态反馈控制器，将多变量系统的闭环系统极点配置在期望的位置上，从而使系统满足要求的瞬态和稳态性能指标。312线性二次型(LQR)其系统的状态方程是线性的，指标函数是状态变量和控制变量的二次型。该方法针对状态方程，通过确定最佳控制量中的矩阵K，使得控制性能指标达到极小，将LQR控制方法用于倒立摆系统，考虑到其平衡问题，需引入全状态反馈，其原理框图如图2所示。线性二次型(LQR)最优控制，可实现对倒立摆的平衡控制，且设计方案简单、超凋量较小、响应速度快；但是，LQR控制的
8、抗干扰性能和鲁棒性不强，当存在大扰动时，小车的跟随能力有限，存在滞后口尤其对多级倒立摆稳定控制困难更大。x=Ax+Buy=CxkR +-uxy图2 LQR的状态反馈原理框图313常规PID控制该方法是最早发展起来的一种控制方法，由于其算法简单、鲁棒性好、速度快、可靠性高，至今仍广泛应用于工业过程控制中。其控制规律为： 该方法虽然可以实现对倒立摆的控制，但由于其线性本质，对于一个非线性、绝对不稳定的系统，不能达到满意的控制效果，振荡比较厉害。若结合其它控制算法使用，可发挥取长补短的作用。32预测控制方法由于线性控制理论在倒立摆控制中的局限性，使得研究者不得不去寻求更加有效的控制方法，于是先后展开
9、了对预测控制、变结构控制和自适应控制的研究。321 预测控制预测控制是由工业过程控制领域发展起来的一种计算机控制算法，具有预测模型、滚动优化和反馈校正三个要素。它建立在被控对象非参数模型基础上，既有优化功能，又引入了系统的实时反馈信息，主要强调模型的功能。322分阶段起摆对于实际的倒立摆系统，导轨长度有限，小车的位移也就要受到限制。因此，希望用有限的作用力，以较快的速度使倒立摆摆起并稳定。从倒立摆起摆过程分析：起摆初始阶段，摆角变化幅度较小，小车摆动范围也较小，故应集中对摆杆摆角进行控制；随着摆角增大，小车的位移幅度也增大。据此特点，可以通过设计几种相对简单的算法对起摆过程进行分阶段控制，以获
10、得事半功倍的效果。323变结构控制变结构控制系统的运动分为两个阶段：能达阶段和滑动阶段。其控制也分为两个部分：滑动模态域的设计和变结构控制律的设计。变结构控制对系统参数摄动以及外部扰动具有较强的鲁棒性，但由于抖振的存在，在一定程度上影响了控制效果。抖振和鲁棒性是变结构控制的两大特点，也是变结构控制系统的一对基本矛盾。324 自适应神经模糊推理系统(ANFIS)该方法基于Sugeno模糊模型，并采用类似于神经网络的结构，因此既具有模糊控制不要求掌握被控对象精确模型的优点，又具有神经网络自学习的特点，且计算量小、收敛较快，较适合在微控控器计算能力较差的场合使用。将ANFIS控制器应用于倒立摆系统，
11、在保摆角较小(小于10。)的前提下，可较好地控制倒立摆、跟踪目标位置信号、响应速度较快、超调量较小例，该方法的鲁棒性不如基于遗传算法所设计的控制器好。33智能控制方法智能控制融合了计算机科学、物理学、数学、脑科学、心理学、认知学、生物学等学科的思想，自然学科与社会学辩交叉渗透的方法。它源自于人的实践经验，不需要精确的数学模型，是目前应用较广的控制方法。在倒立摆系统中用到的智能控制方法主要有神经网络控制、模糊控制、仿人智能控制、仿人智能能控制、云模型控制程泛逻辑控制等。331拟人智能控制模仿人解决问题的思维和方式，采用广义归约法逐层分解复杂问题，通过分析被控对象的物理本质得到针对它的定性控制规律
12、，再利用适当的定性规律量化方法，最终获得系统的控制量。利用拟人智能控制方法已经完成了对倒立摆实物系统的一、二、三级控制。但这种控制方法中的本原问题是不容忽略的，要求对非线性系统本质有清楚的认识，这也是难点。而其广义归约的思想，在解决复杂问题时是值得借鉴的。332模糊控制对倒立摆系统的稳定控制而言，模糊控制方法。是比较优秀的一种解决途径，鲁棒性较好。但是常规的模糊控制器的设计方法有很大的局限性，首先难以建立一组比较完善的多维模糊控制规则，即使凑成这样一组不完整的粗糙的模糊控制规则，其控制效果也难以保证。若模糊控制结合其它控制方法就可能产生比较理想的效果例如：北京师范大学已经采用模糊自适应控制理论
13、成功的研制了三级倒立摆装置并对四级倒立摆系统做了仿真实验。333神经网络控制神经网络能够任意充分地逼近复杂的非线性关系，能够学习与适应严重不确定性系统的动态特性，有很强的鲁棒性和容错性，也诳将Q学习算法和BP神经网络有效缝合，实现状态未离散化的倒立摆的模型学习控制。该方法存在的主要问题是缺乏一种专门适合于控制问题的动态神经网络，而且多层网络的层数、隐层神经元的数量、激发函数类型的选择也缺乏指导性原则等。334遗传算法遗传算法是美国密歇根大学Holland教授倡导发展起来的，是模拟生物学中的自然遗传和达尔文进化理论而提出的并行随机优化算法。其基本思想是：随着时间的更替，必有最适合的物种才能得以迸
14、化。对于倒立摆系统，需要找到一个可以使系统稳定，且由噪声产生的输出量最小的非线性控制器，也就是要得到的最优解。有关研究表明，遗传算法具有较好的抗扰特性，但是计算量较大，适合于微控制器计算能力较强的场合。四、参考文献：1侯涛，牛宏侠，董海鹰单级倒立摆复合控制设计与实现微计算机信息，2007，23(1)：80822 刘国荣，阳宪惠.模糊自适应PID控制器.控制与决策，1995,10（6）5585623陶永华.新型PID控制及其应用.机械工业，2002.9（2）：2822994丛爽, 张冬军, 魏衡华.单级倒立摆三种控制方法的对比研究.系统工程与电子技术5 刘丽，何华灿五种倒立摆控制器对比研究计算机
15、工程与应用，2006，30：35 6周明，孙树栋.遗传算法原理及应用.北京：国防工业出版社，19997王文平.基于遗传算法的PID参数优化设计.自动化与仪表，1998,13（3）：28308罗晶，陈平一阶倒立摆的PID控制实验室研究与探索，2005，24(11)：26289杨世勇，王培进，徐莉苹单级倒立摆的PID控制研究控制工程，2007，14：232410 薛安克，王俊宏，柴利，等倒立摆控制仿真与试验研究现状杭州电子工业学院学报，2005，3(1)：374111 黄丹，刷少武，吴新开，等基于LQR最优调节器的倒立摆控制系统微计算机信息，2004，20(2):3738.12 张飞舟，沈程智，范
16、跃祖拟人智能控制三级倒立摆计算机工程与应用，2000，36(2)：1720 13 陈平,罗晶,曲延滨.一阶倒立摆的控制.电气电子教学学报2003 毕 业 设 计（论 文）开 题 报 告开题报告：一、课题的目的与意义；二、课题发展现状和前景展望；三、课题主要内容和要求；四、研究方法、步骤和措施 开 题 报 告一、课题的目的与意义 倒立摆系统是一个可以将理论应用于实际的理想实验平台。倒立摆的最大的典型性在于：作为实验装置，它本身具有成本低廉、结构简单、便于模拟、形象直观的特点；倒立摆系统是一个典型的高阶次、多变量、严重不稳定和强耦合的非线性系统。由于它的行为与火箭飞行以及两足机器人行走有很大性,因
17、而对其研究具有重大的理论和实践意义。由于倒立摆系统本身所具有的上述特点,使它成为人们深入学习、研究和证实各种控制理论有效性的实验系统。它可以有效地反映出控制中的许多问题，因而对倒立摆的研究具有重要的工程背景和实际意义。二、课题发展现状和前景展望人类对倒立摆的研究开始于二十世纪50年代，目前，有关国内外教学及研究人员对倒立摆系统的研究文章已有不少报道,不过一般研究多是停留在仿真实验上。可以看到一级倒立摆控制的仿真或实物系统已广泛用于教学，二级倒立摆也已见于某些实验室中。三级，四级摆难以看到。可以说未来的倒立摆系统将向着更加复杂和精密的方向发展。而其控制方法和思路对处理一般工业过程亦有广泛的用途。
18、三、课题主要内容和要求本课题要求以单级倒立摆微对象，建立控制模型，设计PID控制器整定控制器参数实现平衡控制，并通过MATLAB仿真验证该控制器。1、了解单级倒立摆系统，了解PID控制器的发展过程及现状，比较及确定2、建立倒立摆的运动方程3、软件设计及有关调试4、完成说明书及软件清单四、研究方法、步骤和措施1根据所做课题，查阅有关资料写好文献综述和开题报告；2根据课题内容，查阅相关资料，相关课题，确定课题的总体方案；3系统软件总体结构设计；各模块程序设计及部分程序调试；4对系统的软硬件进行联调；发现问题，解决问题；5撰写说明书，整理资料；6准备答辩。毕 业 设 计（论 文）开 题 报 告指导教师意见：1对“文献综述”的评语：2对本课题的深度、广度及工作量的意见和对设计（论文）结果的预测： 指导教师： 年 月 日所在专业审查意见： 负责人： 年 月 日
