倒立摆毕业设计-开题报告[管理资料]
(完整版)单级倒立摆毕业设计
缺点：价格稍显昂贵，编程较复杂。
方案三：使用STM32F103内部集成了1μs的双12位ADC，可对角度传感器信号进行采集与处理。硬件电路连接较简单，低功耗，系统运行稳定。最高工作频率72MHz，运算速度较快。STM32引脚如图1-3：
图1-3 STM32引脚图
缺点：价格昂贵，编程复杂。
缺点：扭矩较大，反应动作较慢，价格昂贵。
方案三：采用直流电机，直流电机具有最优越的调速性能，主要表现在调速方便(可无级调速)、调速范围宽、低速性能好、运行平稳、噪音低、效率高的优点。
图1-1 8051引脚图
缺点：51单片内部资源有限，内部没有集成的A/D转换器，在一些需要数据采的应用场合，需要外扩A/D转换器，硬件连接较复杂，给系统设计过程带来不便。
方案二：使用atmega16内部集成了10位A/D转换器，可对角度传感器信号进行采集与处理，还集成了PWM的功能，硬件电路连接较简单，系统运行稳定。运算速度较快。Atmega16简介:ATmega16是基于增强的AVR RISC结构的低功耗8 位CMOS微控制器。由于其先进的指令集以及单时钟周期指令执行时间，ATmega16 的数据吞吐率高达1 MIPS/MHz，从而可以减缓系统在功耗和处理速度之间的矛盾。ATmega16 AVR 内核具有丰富的指令集和32 个通用工作寄存器。所有的寄存器都直接与运算逻单元(ALU) 相连接，使得一条指令可以在一个时钟周期内同时访问两个独立的寄存器。这种结构大大提高了代码效率，并且具有比普通的CISC 微控制器最高至10 倍的数据吞吐率。ATmega16 有如下特点:16K字节的系统内可编程Flash(具有同时读写的能力，即RWW)，512 字节EEPROM，1K 字节SRAM，32 个通用I/O 口线，32 个通用工作寄存器，用于边界扫描的JTAG 接口，支持片内调试与编程，三个具有比较模式的灵活的定时器/ 计数器(T/C),片内/外中断，可编程串行USART，有起始条件检测器的通用串行接口，8路10位具有可选差分输入级可编程增益(TQFP 封装) 的ADC ，具有片内振荡器的可编程看门狗定时器，一个SPI 串行端口，以及六个可以通过软件进行选择的省电模式。工作于空闲模式时CPU 停止工作，而USART、两线接口、A/D 转换器、SRAM、T/C、SPI 端口以及中断系统继续工作；停电模式时晶体振荡器[1]停止振荡，所有功能除了中断和硬件复位之外都停止工作；在省电模式下，异步定时器继续运行，允许用户保持一个时间基准，而其余功能模块处于休眠状态； ADC 噪声抑制模式时终止CPU 和除了异步定时器与ADC 以外所有I/O 模块的工作，以降低ADC 转换时的开关噪声； Standby 模式下只有晶体或谐振振荡器运行，其余功能模块处于休眠状态，使得器件只消耗极少的电流，同时具有快速启动能力；扩展Standby 模式下则允许振荡器和异步定时器继续工作。引脚图如图1-2:
毕业设计-倒立摆44
Key words : an inverted pendulum, PID control and MATLAB simulation
II
洛阳理工学院毕业设计（论文）
目
录
前言 ...................................................................................................... 1 第 1 章 倒立摆 .................................................................................... 2 1.1 倒立摆的意义 ......................................................................... 2 1.2 倒立摆的分类 ......................................................................... 2 1.3 倒立摆的组成 ......................................................................... 4 1.4 倒立摆的控制方式 ................................................................. 5 1.5 倒立摆的原理简述 ................................................................. 5 第 2 章 直线一级倒立摆数学模型..................................................... 7 2.1 直线倒立摆的运动方程的推导 ............................................. 7 2.2 传递函数. .............................................................................. 9 2.3 状态空间的结构方程 ........................................................... 10 2.4 倒立摆实际系统模型 ........................................................... 10 第 3 章 MATLAB 仿真软件应用 ..................................................... 12 3.1 MTALAB 系统主要部分 ..................................................... 12 3.2 MATLAB 的主要特点 .......................................................... 12 3.3 MATLAB 的仿真工具 SIMULINK .................................... 13 3.4 采用 MATLAB 语句形式进行仿真 ...................................... 14 第 4 章 PID 控制理论 ....................................................................... 16 4.1 PID 控制概述 ........................................................................ 16 4.2 常用的数字 PID 控制系统 .................................................. 16 4.3 PID 控制原理特点 ................................................................ 17 4.4 PID 参数的调整 .................................................................... 18 4.5 PID 控制回路的运行 ............................................................ 19 第 5 章 直线一级倒立摆的 PID 控制与调节................................... 21 5.1 PID 控制器的设计 ................................................................ 21 5.2 PID 控制器的 MATLAB ...................................................... 23 结 论 .................................................................................................. 28 谢 辞 .................................................................................................. 29
二级倒立摆文献综述毕业设计
文献综述二级倒立摆系统建模与仿真学生：学号：专业：自动化班级：2007.4指导教师：四川理工学院自动化与电子信息学院二O一一年三月第1部分前言1.1倒立摆的发展及背景早在 20世纪 60年代, 人们就开始了对倒立摆系统的研究。
1966年Schaefer和 Cannon应用 Bang2 Bang控制理论, 将一个曲轴稳定于倒置位置。
自从倒立摆系统成为[1]自动控制领域控制实验室的实验和教学工具以来，人们对倒立摆控制的研究既有理论研究又有实验研究。
通过计算机仿真的方法对控制理论和控制方法的进行可行性研究；实验研究主要是解决仿真结果和实时控制之间性能差异的物理不确定性。
早在 1972 年，Stugne 等人采用全维状态观测器来重构了状态，并使用线性控制模拟电路实现了二级倒立摆的控制，倒立摆的线性状态反馈采用极点配置的方法获得。
1978 年，K. furutat 等人成功地应用降维观测器重构了倒立摆系统的状态，使用计算机处理实现了对三级倒立摆的控制。
1984 年，K.furutat 等人又实现了三级倒立摆的稳定控制。
1986 年，Chung 等人对一级倒立摆系统进行了系统辨识，并设计了 PD 反馈控制器和自适应自整定反馈控制器实现了对倒立摆的稳定控制[1]。
1989 年，Anderson 等人运用函数最小化和 LyaPunov 稳定方法成功产生了一个优化反馈控制器。
1994 年，sinha等人，利用 Lyapunov—Floquet 变换得到了三级倒立摆系统的计算机仿真模型[2]。
1995 年，任章等人在一种镇定倒立摆系统的新方法中应用振荡控制理论，在倒立摆支撑点的竖直方向上加入一个零均值的高频振荡信号，改善了倒立摆系统的稳定性。
1996 和 1997 年，翁正新等人利用带观测器的 Hao 状态反馈控制器对二级倒立摆系统在水平和倾斜导轨上进行了仿真控制。
1998年，蒋国飞等人将 BP 神经网络和 Q 学习算法有效结合，实现了倒立摆的无模型学习控制。
倒立摆系统__实验设计报告
倒立摆系统__实验设计报告一、实验目的本实验旨在通过对倒立摆系统的研究与实验，探讨倒立摆的运动规律，并分析其特点和影响因素。
二、实验原理与方法1.实验原理倒立摆是指在重力作用下，轴心静止在上方的直立摆。
倒立摆具有自然的稳定性，能够保持在平衡位置附近，且对微小干扰具有一定的抵抗能力。
其本质是控制系统的一个重要研究对象，在自动控制、机器人控制等领域有广泛的应用。
2.实验方法（1）搭建倒立摆系统：倒立摆由摆杆、轴心和电机组成，摆杆在轴心上下运动，电机用于控制倒立摆的运动。
（2）调节电机控制参数：根据实验需要，调节电机的参数，如转速、力矩等，控制倒立摆的运动状态。
（3）记录数据：通过相机或传感器等手段，记录倒立摆的位置、速度、加速度等相关数据，用于后续分析。
（4）分析数据：根据记录的数据，分析倒立摆的运动规律、特点和影响因素，在此基础上进行讨论和总结。
三、实验步骤1.搭建倒立摆系统：根据实验需要，选取合适的材料和设备，搭建倒立摆系统。
2.调节电机参数：根据实验目的，调节电机的转速、力矩、控制信号等参数，使倒立摆能够在一定范围内保持平衡。
3.记录数据：利用相机或传感器等设备，记录倒立摆的位置、速度、加速度等相关数据。
4.分析数据：通过对记录的数据进行分析，研究倒立摆的运动规律和特点，并探讨影响因素。
5.总结讨论：根据实验结果，进行总结和讨论，对倒立摆的运动规律、特点和影响因素进行深入理解和探究。
四、实验设备与器材1.倒立摆系统搭建材料：包括摆杆、轴心、电机等。
2.记录数据设备：相机、传感器等。
五、实验结果与分析通过实验记录的数据，分析倒立摆的运动规律和特点，找出影响因素，并进行讨论和总结。
六、实验结论根据实验结果和分析，得出倒立摆的运动规律和特点，并总结影响因素。
倒立摆具有一定的稳定性和抵抗干扰的能力，在控制系统中具有重要的应用价值。
七、实验感想通过参与倒立摆系统的搭建和实验，深入了解了倒立摆的运动规律和特点，对控制系统有了更深刻的理解。
倒立摆系统实验设计报告
倒立摆系统实验设计报告实验设计报告：倒立摆系统摘要：本实验旨在研究倒立摆系统的控制问题，通过进行动力学建模、控制器设计和实验验证，探究不同控制策略对倒立摆系统的稳定性和控制性能的影响。
实验使用MATLAB/Simulink软件进行系统建模和控制器设计，并通过实际硬件平台进行实验验证。
实验结果表明，PID控制器在稳定性和控制精度方面表现出较好的性能。
本实验为进一步研究倒立摆系统控制提供了参考。
引言：倒立摆系统是控制理论中一个经典且具有挑战性的问题，具有广泛的应用背景。
倒立摆系统的研究对于制造可倒立行进的机器人、电梯调节、飞行器控制等领域具有重要意义。
本实验旨在通过对倒立摆系统进行动力学建模和控制器设计，研究不同控制策略对其稳定性和控制性能的影响。
方法与材料：1.实验平台：本实验使用一台倒立摆硬件平台，包括一个竖直支架、一个带电机和减速器的转动摆杆以及一个测量角度的传感器。
2. 软件工具：本实验使用MATLAB/Simulink进行倒立摆系统的建模和控制器设计。
并使用Simulink中的实时仿真模块进行实验验证。
实验步骤：1. 动力学建模：根据倒立摆系统的动力学方程，使用MATLAB/Simulink建立系统的状态空间模型。
2.控制器设计：设计不同控制策略的控制器，包括PID控制器、模糊控制器等。
3. 系统仿真：在Simulink中进行系统仿真，分析不同控制策略下的系统响应情况，比较其稳定性和控制性能。
5.数据分析：通过对实验数据进行分析，比较不同控制策略的实际控制效果。
结果与讨论：经过对倒立摆系统进行动力学建模和控制器设计，我们设计了PID控制器和模糊控制器两种控制策略，并在Simulink中进行了系统仿真。
仿真结果显示，PID控制器能够有效地控制倒立摆系统，在较短的时间内将摆杆恢复到竖直位置，并保持稳定。
而模糊控制器的控制性能相对较差，系统响应时间较长且存在一定的震荡。
实验验证结果表明，PID控制器在实际硬件平台上也能够较好地控制倒立摆系统。
倒立摆课程设计报告.
第二章：系统分析
系统建模可以分为两种：机理建模和实验建模。实验建模就是通过在研究对象上加上一系列的研究者事先确定的输入信号，激励研究对象并通过传感器检测其可观测的输出，应用数学手段建立起系统的输入－输出关系。这里面包括输入信号的设计选取，输出信号的精确检测，数学算法的研究等等内容。机理建模就是在了解研究对象的运动规律基础上，通过物理、化学的知识和数学手段建立起系统内部的输入－状态关系。
①比例环节：成比例的反映控制系统的偏差信号error(t)，偏差一旦产生，控制器立即产生控制作用，以减少偏差。
②积分环节：主要用于消除静差，提高系统的无差度。积分作用的强弱取决于积分时间常数 ， 越大，积分作用越弱，反之越强。
③微分环节：反映偏差信号的变化趋势（变化速率），并能在偏差信号变的太大之前，在系统中引入一个有效的早期修正信号，从而加快系统的动作速度，减少调节时间。
在固高公司的实验仪器的模块内输入调整好的参数倒立摆稳定立起来实时控制曲线如图319上面是位移实时曲线由于该系统不能控制位移故需要在小车靠近导轨边缘时用手轻轻碰一下摆杆下面是角度实时曲线手碰摆杆可以看作是对系统施加扰动角度实时曲线和摆杆的实际情况均可看出系统抗扰动性能良好
倒立摆课程设计报告
班级：
姓名：
3.2.4
在固高公司的实验仪器的模块内输入调整好的参数，倒立摆稳定立起来，实时控制曲线如图3-2-5，上面是位移实时曲线，下面是角度实时曲线，小车可以左右移动不碰到导轨边缘。
图3-2-5
3.
3.3.1
系统对正弦输入信号的响应，称为频率响应。在频率响应方法中，我们在一定范围内改变输入信号的频率，研究其产生的响应。频率响应可以采用以下三种比较方便的方法进行分析，一种为伯德图或对数坐标图，伯德图采用两幅分离的图来表示，一幅表示幅值和频率的关系，一幅表示相角和频率的关系；一种是极坐标图，极坐标图表示的是当ω从0变化到无穷大时向量G( jω)的轨迹，极坐标图也常称为奈奎斯特图，奈奎斯特稳定判据使我们有可能根据系统的开环频率响应特性信息，研究线性闭环系统的绝的稳定性和相对稳定性。
毕业设计开题报告优秀7篇
毕业设计开题报告优秀7篇（经典版）编制人：__________________审核人：__________________审批人：__________________编制单位：__________________编制时间：____年____月____日序言下载提示：该文档是本店铺精心编制而成的，希望大家下载后，能够帮助大家解决实际问题。
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基于模糊控制的双并联倒立摆控制系统设计开题报告
1论文研究内容及研究意义1.1主要内容双并联倒立摆系统的控制目标是系统从不同的初始位置开始, 当达到稳态时, 两个平行摆杆都直立不倒。
本文通过建立双并联倒立摆系统的数学模型, 并根据其多变量等特性, 应用了模糊控制策略的方法进行双并联倒立摆系统的稳定控制。
并且通过MATLAB进行从初态达到稳态时候摆杆的响应曲线的仿真。
1.2研究背景及意义倒立摆是一个高阶次、不稳定、多变量、非线性和强耦合的系统, 对倒立摆的稳定控制涉及到控制科学中许多处理复杂对象的关键技术。
在国外, 对于倒立摆的控制研究始于上世纪60年代, Schacfer等应用bang bang控制原理实现了单级倒立摆的稳定控制,继而引起了许多控制算法研究者的广泛关注。
我国从上世纪70年代中期开始对其进行研究, 并取得了较多成果。
文献[ 6]针对非线性平衡控制问题, 提出了一种加入预测信息的反馈误差学习( P FEL )模型, 使用在线BP 算法保证运动控制和运动学习同步进行, 并最终应用于单级倒立摆平衡控制。
文献[ 7]提出了一种应用于非线性系统控制的支持向量机模糊推理模型, 利用支持向量机回归原理从训练数据中提取模糊规则并进行简化, 同时采用核函数来描述模糊推理系统, 最后应用于对直线二级倒立摆系统的控制中。
文献[ 8]通过建立单级倒立摆系统的数学模型, 分别采用P ID 控制、最优控制策略和极点配置三种方法设计控制器。
仿真结果表明, 这三种算法在一定的初始范围内具有很好的动态和稳态性能, 对被控对象参数变化的适应性以最优控制最佳。
北京师范大学的李洪兴教授于2003年8月成功实现了四级倒立摆实物控制。
2模糊控制策略2.1模糊控制策略的背景美国控制论专家L.A.Zadeh于1965年创立了模糊集理论，为描述、研究和处理模糊性现象提供了有力的数学工具。
1974年，英国的E.H.Mamdani把模糊语言逻辑用于工业过程控制并获成功，标志着模糊控制的诞生。
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山 东 科 技 大 学
本科毕业设计（论文）开题报告
题 目 基于MATLAB的一级倒立摆的控制器设计与仿真
学 院 名 称 电 气 信 息 系
专 业 班 级 电气工程及其自动化2010-4
学 生 姓 名 路 琨
学 号 201003201412
指 导 教 师 牛 君
填表时间：2012年3 月29 日
设计（论文）
题目
基于MATLAB的一级倒立摆的控制器设计与仿真
设计（论文）
类型（划“√”）
工程设计 应用研究 开发研究 基础研究
其它
√
一、 本课题的研究目的和意义
倒立摆系统是一个典型的多变量、非线性、强耦合和快速运动的高阶[1]不稳定
系统，它是检验各种新型控制理论和方法有效性的典型装置。近年来，许多学者
对倒立摆系统进行广泛地研究。
在控制理论发展的过程中，某一理论的正确性及实际应用中的可行性[2]需要一
个按其理论设计的控制器去控制一个典型对象来验证。倒立摆的典型性在于作为
一个装置，成本低廉，结构简单，便于模拟和数字多种不同方式控制；作为一个
被控对象，又相当复杂，是高阶次，不稳定，多变量，非线性，强耦合系统。只
有采用行之有效的控制方法才能使之稳定。倒立摆系统稳定效果非常明了，可以
通过摆动角度、位移和稳定时间直接度量，控制效果一目了然。因此，倒立摆系
统在控制理论研究中是一种较为理想的实验装置[1]。
倒立摆的研究可归纳为对非线性多变量绝对不稳定系统的研究，其控制方法和
思路对处理一般工业过程也有广泛的用途。近年来国内外专家学者对倒立摆进行
了大量的研究，人们试图寻找不同的控制方法实现对倒立摆的控制，以便验证该
方法对严重非线性和绝对不稳定系统的控制能力[3]。
倒立摆的控制方法在军工、航天、机器人领域和一般工业过程中都有着广泛的
用途，且对于揭示定性定量转换规律和策略具有普遍意义，因此对倒立摆系统的
研究具有重要的理论和实践意义[2]。在欧美发达国家的高等院校，它已经成为必备
的控制理论教学实验设备[4]。学生通过倒立摆系统实验来验证所学的控制理论和算
法，非常的直观、简便，在轻松的实验中对所学的课程加深了理解。
二、本课题的主要研究内容
本文主要是围绕一级倒立摆系统，首先介绍了直线一阶倒立摆的物理结构，分
析其受力情况，并在一定假设条件下，建立一阶级倒立摆系统的数学模型，并对
其进行线性化，初步分析其运动特性。其次运用极点配置理论设计极点配置算法
与控制器；运用线性二次型最优控制原理结合合适的Q,R阵求解最优控制矩阵并
设计最优控制（LQR）方案。然后根据已经建立的系统数学模型，运用MATLAB的
Simulink工具对极点配置控制方案和线性二次型最优控制（LQR）方案进行控制系
统的仿真，得出仿真结果即各个输出量的波形，同时可利用编写的S函数[5]仿真动
画观察仿真结果。目的是通过设计加深对所学自动控制课程的理解，培养理论联
系实际的能力。为进一步学习更高层次的控制理论奠定基础。
三、文献综述（国内外研究情况及其发展）
国外在60年代就开始了对一级倒立摆系统的研究[6]，在60年代后期，作为一个
典型的不稳定、严重非线性例证提出了倒立摆的概念，并用其检验控制方法对不
稳定、非线性和快速性系统的控制能力。
1966年Schaefer和Cannon应用Bang-Bang[7]控制理论，将一个曲轴稳定于倒置
位置；[5]等人于1975年采用最优控制和状态重构的方法完成对一级倒立摆的稳定控
制。国外对二级以上倒立摆的研究从70年代开始，1972年Sturgen等人采用线性控
制模拟电路实现了二级倒立摆的控制[5]，其线性状态反馈采用极点配置的方法获
得，并采用全维状态观测器来重构了状态；1978年，，1980年他们又完成了二级摆
在倾斜轨道上的稳定控制[5]；1983年，[8]。
国内从80年代开始对倒立摆进行了研究，1982年，西安交通大学完成了二级倒
立摆系统的研制和控制，采用了最优控制和降维观测器，以模拟电路实现；1983
年，国防科技大学完成了一级倒立摆系统的研制和控制；1987年，上海机械学院
完成了一、二级倒立摆系统的研制，并且完成了二级倒立摆在倾斜轨道上的控制。
近年来，随着智能控制方法的研究逐渐受到人们的重视，模糊控制、神经网络、
拟人智能控制、遗传算法和专家系统等越来越多的智能控制算法应用到倒立摆动
系统的控制上。Charies [9]成功控制一级摆；周建波等用基于BP网络[2]的规则控制
也解决了单摆的稳定性控制问题；徐红兵等提出了基于变结构的模糊神经网络控
制算法，实现了二级倒立摆系统的稳定性控制；1995年，张明廉[2]等人应用拟人智
能控制理论成功的解决了三级倒立摆这一控制界的世界性难题；2001年9月19日，
北京师范大学李洪兴教授领导的复杂系统实时智能控制实验室采用变论域自适应
模糊控制[5]成功地实现了三级倒立摆实物系统控制，又于2002年8月11日在国际上
首次成功实现了四级倒立摆实物控制系统。
四、拟解决的关键问题
本设计主要完成倒立摆的仿真设计和实现，需要解决的关键问题如下：
(1) 分析倒立摆的受力情况，建立一阶级倒立摆系统的数学模型。
(2) 确定系统各项参数得到仿真模型。
(3) 运用极点配置理论设计极点配置算法与控制器。
(4) 运用线性二次型最优控制原理求解最优控制矩阵并设计最优控制（LQR）方案。
(5)
运用MATLAB的Simulink工具对极点配置控制方案和线性二次型最优控制
（LQR）方案进行控制系统的仿真。
(6) 比较两种控制方法的优缺点，得出结论。
六、课题的进度安排
01-02周：安排毕业设计计划，分配设计任务。
02-03周：了解本课题设计要求，针对倒立摆系统学习相关知识；
04-05周：完成开题报告以及相关知识点的掌握；掌握倒立摆系统仿真的整体思
路；收集整理matlab仿真所需的资料。
06-11周：学生完成极点配置和线性最优二次型控制器设计；在matlab中完成
仿真。
11-14周：完成学生完善控制效果，分析输出结果，得出仿真结论；翻译英文文
献资料.
15-16周：编写毕业设计论文和准备毕业答辩。
七、参考文献
[1] 《自动控制原理 第五版》 胡寿松 主编 科学出版社 2011年5月出版
[2] 《现代控制理论(第3版)》刘豹 唐万生 主编 机械工业出版社 2011
年5月出版
[3] 《MATLAB在控制系统中的应用》 张静等编著 电子工业出版社 2007年05
月出版
[4] 《倒立摆与自动控制原理实验》 固高科技（深圳）有限公司 编著 2005
[5] 《MATLAB 控制系统仿真与设计》 熊锡义 主编 机械工业出版社 2010年
11月出版
[6] 《MATLAB/Simulink建模与仿真实例精讲》 张德丰等编著 机械工业出版社
2010年01月出版
[7] 《基于MATLAB的一阶倒立摆控制系统建模与仿真》 阳武娇 电子元器件
应用 第9卷第1期 2007年1月
[8] 《Inverted Pendulum MATLAB Manual》 Sheldon Logan，July 2,2006
[9] 《THE INVERTED PENDULUM》 Arthur Ewenczyk、Leon Furchtgott、Will
Steinhardt、Philip Stern、Avi Ziskind PHY 210 Princeton University
2008年9月
指导老师意见
指导教师（签名）：
年 月 日
所在系（所）意见
负责人（签章）：
年 月 日