本科毕业设计任务书：旋转单级倒立摆系统建模与实物控制

直线一级倒立摆的建模及控制分析摘要：本文利用牛顿—欧拉方法，建立了直线型一级倒立摆系统的数学模型。

在分析的基础上, 采用状态反馈控制中极点配置法设计了用于直线型一级倒立摆系统的控制器。

此外，用MATLAB 仿真绘制了相应的曲线并做了分析。

一、问题描述倒立摆控制系统是机器人技术、控制理论、计算机控制等多个领域和多种技术的有机结合，其被控系统本身是一个绝对不稳定、高阶次、多变量、强耦合的非线性系统，是控制理论研究中较为理想的实验对象。

它为控制理论的教学、实验和科研构建了一个良好的实验平台，促进了控制系统新理论、新思想的发展。

倒立摆系统可以采用多种理论和方法来实现其稳定控制，如PID，自适应、状态反馈、智能控制等方法都己经在倒立摆控制系统上得到实现。

由于直线一级倒立摆的力学模型较简单，又是研究其他倒立摆的基础，所以本文利用所学的矩阵论知识对此倒立摆进行建模和控制分析。

二、方法简述本文利用牛顿—欧拉方法，建立了直线型一级倒立摆系统的数学模型。

在分析的基础上, 采用状态反馈控制中极点配置法设计了用于直线型一级倒立摆系统的控制器。

此外，用MATLAB 仿真绘制了相应的曲线并做了分析。

三、模型的建立及分析3.1 微分方程的推导在忽略了空气阻力，各种摩擦之后，可将直线一级倒立摆系统抽象成小车和匀质杆组成的系统，如下图1所示。

图1 直线一级倒立摆系统假设 M 为小车质量；m 为摆杆质量；b 为小车摩擦系数；l 为摆杆转动轴心到杆质心的长度；I 为摆杆惯量；F 为加在小车上的力；x 为小车位置；φ为摆杆与垂直向上方向的夹角；θ为摆杆与垂直向下方向的夹角。

图2是系统中小车和摆杆的受力分析图。

其中，N 和P 为小车与摆杆相互作用力的水平和垂直方向的分量。

值得注意的是: 在实际倒立摆系统中检测和执行装置的正负方向已确定, 因而矢量方向定义如图2所示, 图示方向为矢量正向。

(a) (b)图2 小车和摆杆的受力分析图分析小车水平方向所受的合力，可以得到以下方程：N x b F x M --= (1)由摆杆水平方向的受力进行分析可以得到下面等式：θθθθs i n c o s 2ml ml x m N -+= (2) 把这个等式代入上式中，就得到系统的第一个运动方程：()F ml ml x b x m M =-+++θθθθsin cos 2 (3)为了推出系统的第二个运动方程，我们对摆杆垂直方向上的合力进行分析，可以得到下面方程：θθθθc o s s i n 2 ml ml mg P --=- (4) 力矩平衡方程如下：θθθI Nl Pl =--cos sin (5)合并这(4)、(5)两个方程，约去P 和N ，得到第二个运动方程：()θθθc o s s i n 2x ml mgl ml I -=++ (6) 假设φ与1(单位是弧度)相比很小，即φ《1，则可以进行近似处理：0d d s i n 1c o s 2=⎪⎭⎫ ⎝⎛-=-=t θφθθ，， (7) 用u 来代表被控对象的输入力F ，线性化后两个运动方程如下：()()⎩⎨⎧=-++=-+u ml x b x m M xml mgl ml I φφφ 2 (8) 3.2 状态空间方程方程组(8)对φ，x 解代数方程，整理后的系统状态空间方程为： ()()()()()()()()u Mm l m M I m l Mm l m M I m lI x x Mm l m M I m M m gl Mm l m M I m lbMm l m M I gl m Mm l m M I b m l I x x ⎥⎥⎥⎥⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎢⎢⎢⎢⎣⎡++++++⎥⎥⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎢⎢⎣⎡⎥⎥⎥⎥⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎢⎢⎢⎢⎣⎡+++++-+++++-=⎥⎥⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎢⎢⎣⎡222222222200001000000010φφφφ u x x x y ⎥⎦⎤⎢⎣⎡+⎥⎥⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎢⎢⎣⎡⎥⎦⎤⎢⎣⎡=⎥⎦⎤⎢⎣⎡=0001000001φφφ 对于质量均匀分布的摆杆有：3/2ml I =，于是可得：()x ml mgl ml ml =-+φφ223/ 化简得：xll g 4343+=φφ设}{x u x x X ==1，，，，φφ ，则有：14301004300100000000010u l x x l g x x⎥⎥⎥⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎢⎢⎢⎣⎡+⎥⎥⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎢⎢⎣⎡⎥⎥⎥⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎢⎢⎢⎣⎡=⎥⎥⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎢⎢⎣⎡φφφφ10001000001u x x x y ⎥⎦⎤⎢⎣⎡+⎥⎥⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎢⎢⎣⎡⎥⎦⎤⎢⎣⎡=⎥⎦⎤⎢⎣⎡=φφφ 3.3 实际系统模型实际系统模型参数: M =1.096 Kg ；m =0.109 Kg ；b =0.1 N/m/s ； l =0.25 m ；I =0.0034 kg ·m ·m ；采样频率 T =0.005 s 。

河北工业大学城市学院本科毕业设计（论文）任务书毕业设计题目：旋转式倒立摆的实验系统设计及模糊控制算法研究适用专业：自动化专业学生信息：学号108978 姓名：胡利兵班级：自动化C102指导教师信息：姓名：梁涛职称：副教授下达任务日期：2014年2月26日课题简介：倒立摆是一个复杂的快速、非线性、多变量、强耦合、自然不稳定的非最小相位系统，是重心在上、支点在下控制问题的抽象。

在许多控制方法的研究过程中，科研人员往往因为不能找到合适的实际控制对象，使得许多研究成果失去了继续完善发展的机会，造成了科研资源的浪费。

作为一种理想的控制对象平台，倒立摆结构简单、成本较低，可以有效地检验众多控制方法的有效性，在控制方法的实验和研究上有很重要的地位。

许多抽象的控制概念如控制系统的稳定性、可控性、收敛速度和抗干扰能力等，都可以通过倒立摆系统直观地表现出来。

课题要求：鉴于现代控制理论方法在旋转倒立摆控制中存在的线性化问题的局限，将模糊控制引入实验系统，设计单级旋转倒立摆模糊控制器，进行实物控制，总体控制效果较好。

由于在平衡点附近，模糊控制方法的控制效果不非常理想。

因此需要进一步改善系统控制性能，本课题要求将模糊控制与线性二次型最优控制策略结合，设计基于LQR的自校正模糊控制器，通过实验结果验证是否能有效地改善旋转倒立摆模糊控制系统的动态特性，从而既解决平衡点附近局部线性化的局限性问题，提高了系统的鲁棒性和抗干扰性，同时又增强了控制器的适用范围。

主要参考文献：[1]朱玉奇. 旋转式倒立摆的控制研究[J]. 科技信息,2009,32:88-89.[2]江晨,王富东. 旋转式倒立摆系统的算法研究及仿真[J]. 工业控制计算机,2010,05:54-56.[3]程俊,王永,黄南晨,吴刚,卿志远,孙德敏. 旋转式倒立摆计算机控制系统[J]. 电机与控制学报,2001,04:277-280.[4]李红星,骆柄璋,李刚阳. 旋转式倒立摆的状态变量合成模糊控制[J]. 北京联合大学学报(自然科学版),2006,04:15-18.[5]姜倩,管凤旭. 旋转式倒立摆的镇定和摆起控制的研究[J]. 哈尔滨商业大学学报(自然科学版),2007,03:322-324.[6]李凌,袁德成,井元伟. 旋转式倒立摆系统控制策略研究[J]. 实验室研究与探索,2006,01:21-23+46.[7]王敏,苏晓鹭,王淼. 旋转式倒立摆控制策略[J]. 大连海事大学学报,2007,S2:155-157+161.[8]娄万军,张晓娟,杨继宏. 基于模糊逻辑控制的倒立摆系统[J]. 大众科技,2004,07:54-57.[9]徐静. 旋转式倒立摆的稳定控制研究[D].山东大学,2009.[10]江晨. 旋转式倒立摆的控制算法研究及实验系统设计[D].苏州大学,2010.[11]贺廉云. 基于模糊控制的旋转式倒立摆控制算法研究[D].山东大学,2006.[12]Q. Feng, K. Yamafugi. Design and simulation of control systems of an invertedpendulum. Robotica, 6 (1988), p. 235[13] Maravall, Darío. Hybrid fuzzy control of the inverted pendulum via verticalforces.International Journal of Intelligent Systems, Volume 20, February 2005, Pages 195-211[14]Kim, Hyun-Ki; Lee, Dong-Jin; Oh, Sung-Kwun. Design of optimized fuzzycontroller for rotary inverted pendulum system using differential evolution.Transactions of the Korean Institute of Electrical Engineers, Volume 60, February 2011, Pages 407-415方法要求：1．了解旋转式倒立摆及模糊控制算法的相关知识2．设计基于LQR的自校正模糊控制器，改善旋转倒立摆模糊控制系统的动态特性3．利用模糊控制方法的控制在平衡点附近达到非常理想效果4．实现硬件连接，进行实物控制，增强了控制器的适用范围5. 对已经完成的工作进行总结，进一步改善系统控制性能过程要求：查阅资料，方案论证与设计，实验论证，得出结论。

单级倒立摆系统课程设计一、课程目标知识目标：1. 理解单级倒立摆系统的基本原理，掌握其数学模型和动力学特性；2. 学会分析单级倒立摆系统的稳定性，并掌握相应的控制策略；3. 掌握利用传感器和执行器实现单级倒立摆系统的实时控制方法。

技能目标：1. 能够运用所学的理论知识，设计并搭建单级倒立摆实验系统；2. 能够编写程序，实现对单级倒立摆系统的实时控制，使系统保持稳定；3. 能够分析实验数据，优化控制参数，提高系统性能。

情感态度价值观目标：1. 培养学生对物理系统控制原理的兴趣，激发学生探索科学技术的热情；2. 培养学生的团队协作意识和解决问题的能力，增强学生的自信心；3. 引导学生关注科技创新，认识到所学知识在实际应用中的价值。

课程性质：本课程为理论与实践相结合的课程，旨在帮助学生将所学的理论知识应用于实际系统中，提高学生的实践能力和创新能力。

学生特点：学生具备一定的物理、数学基础，对控制原理有一定了解，但实践经验不足。

教学要求：注重理论与实践相结合，鼓励学生动手实践，培养解决实际问题的能力。

在教学过程中，注重引导学生自主学习，培养学生的创新意识和团队协作精神。

通过本课程的学习，使学生能够将所学知识应用于实际系统，提高自身综合素质。

二、教学内容1. 理论知识：- 单级倒立摆系统的基本原理及数学模型；- 单级倒立摆系统的稳定性分析；- 控制策略及控制算法在单级倒立摆系统中的应用；- 传感器和执行器在单级倒立摆系统中的作用及选型。

2. 实践操作：- 搭建单级倒立摆实验系统；- 编写程序实现实时控制；- 调试优化控制参数；- 分析实验数据，提高系统性能。

3. 教学大纲：- 第一周：介绍单级倒立摆系统基本原理，学习数学模型，进行稳定性分析；- 第二周：学习控制策略及控制算法，探讨其在单级倒立摆系统中的应用；- 第三周：了解传感器和执行器，学习其在单级倒立摆系统中的作用及选型；- 第四周：分组搭建单级倒立摆实验系统，进行程序编写和实时控制；- 第五周：调试优化控制参数，分析实验数据，提高系统性能。

太原理工大学现代科技学院毕业设计（论文）任务书毕业设计（论文）题目：基于单片机控制的旋转倒立摆系统（硬件设计）原始资料：一、任务设计并制作一套简易旋转倒立摆及其控制装置。

旋转倒立摆的结构。

电动机固定在支架上，通过转轴驱动旋转臂旋转。

摆杆通过转轴固定在旋转臂的一端，当旋转臂在电动机驱动下作往复旋转运动时，带动摆杆在垂直于旋转臂的平面作自由旋转。

二、基本要求（1）摆杆从处于自然下垂状态（摆角0°）开始，驱动电机带动旋转臂作往复旋转使摆杆摆动，并尽快使摆角达到或超过-60°~ +60°；（2）从摆杆处于自然下垂状态开始，尽快增大摆杆的摆动幅度，直至完成圆周运动；（3）在摆杆处于自然下垂状态下，外力拉起摆杆至接近165°位置，外力撤除同时，启动控制旋转臂使摆杆保持倒立状态时间不少于5s；期间旋转臂的转动角度不大于90°。

毕业设计（论文）主要内容：1、Abstract部分。

论文首先进行摘要的编写，即英文和中文摘要；具体为本文主要介绍基于单片机控制的选择倒立摆。

通过分析倒立摆的的系统原理，可以使倒立摆旋转起来。

2、绪论部分(包括引言）。

主要包括课题研究地意义、倒立摆研究历史及其现状、倒立摆的控制规律、PID控制现状分析与研究以及论文的主要工作3、倒立摆简介。

包括倒立摆系统组成、实物图片、公式、主要原理以及现有控制方法；对主控制器件的论证与选择。

包括控制器选用，控制方案的选择，角度的获取模块论证与选择，步进电机及其驱动模块的选择。

4、对系统硬件的设计，包括总电路图，系统框图和各模块的原理图。

5、PID和模糊控制简介及控制算法。

6、参考文献及心得体会，总结主要参考文献：[1]李国勇.自动控制原理[M].电子工业出版社.2010.[2]李晓林，牛煜光，闫高伟.单片机原理及接口技术[M].电子工业出版社.2011.[3]王桔.简易旋转倒立摆及控制装置[J].长春大学学报.2013（12）：1538-1540.[4]吕昊然.简易旋转倒立摆及控制装置设计[J].电子世界.2013（23）：135-136.[5]包敬海，覃贵寿.基于STM32和增量PID的旋转倒立摆的设计[J].钦州学院学报.2013（11）：10-14.[6]王招治.基于MATLAB的旋转倒立摆的控制与仿真分析[J].机电技术.2012(4):36-39.[7]Miller&Frederic P.Inverted Pendulum[M].VDM Verlag Dr. Mueller e.K.2010.[8]Olivares M&Albertoes P.Linear control of the flywheel inverted pendulum[J].ISA Transactions.2014.Vo1.543-547.[9]Kot,Andrzej.Bi-axial inverted pendulus modelling[A].Carpathian Control Conference (ICCC),2013 14th International.[10]曹建平.单级旋转倒立摆的控制系统设计[J].自动化应用.2014(4):32-34.[11]陆斌，郭燕飞.基于C8051F020单片机的简易旋转倒立摆系统[J].工业控制计算机.2014(2):123-124.[12]刘峰.基于模糊控制的单级旋转倒立摆系统设计.科技创新导报.2014夏(2):83.[13]汪雨寒，夏洪浩，杨思亚.简易旋转倒立摆及控制装置的系统设计.大学物理实验.2014（4):37-39.[14]李保林，吕跃，袁浩.一级旋转倒立摆的模糊控制[J].实验室科学.2008(5):77-79.[15]Li,Zhi jun.Advanced Control of Wheeled Inverted Pendulum Systems[M].Springer.2012.学生须提交的文件：1、内容完整、层次清晰、叙述流畅、排版规范的毕业设计论文；2、包括毕业设计论文、源程序等内容在内的毕业设计电子文档及其它相关材料。

倒立摆课程设计--倒立摆系统的控制器设计自动控制理论课程设计倒立摆系统的控制器设计学生姓名：指导教师：班级：重庆大学自动化学院二O一三年一月课程设计指导教师评定成绩表项目分值优秀(100>x≥90)良好(90>x≥80)中等(80>x≥70)及格(70>x≥60)不及格(x<60)评分参考标准参考标准参考标准参考标准参考标准学习态度15学习态度认真，科学作风严谨，严格保证设计时间并按任务书中规定的进度开展各项工作学习态度比较认真，科学作风良好，能按期圆满完成任务书规定的任务学习态度尚好，遵守组织纪律，基本保证设计时间，按期学习态度尚可，能遵守组织纪律，能按期完成任务学习马虎，纪律涣散，工作作风不严谨,不能保证设计时间和进度完成各项工作技术水平与实际能力25设计合理、理论分析与计算正确，实验数据准确，有很强的实际动手能力、经济分析能力和计算机应用能力，文献查阅设计合理、理论分析与计算正确，实验数据比较准确，有较强的实际动手能力、经济分析能力和计算机应用能力，文献引设计合理，理论分析与计算基本正确，实验数据比较准确，有一定的实际动手设计基本合理，理论分析与计算无大错，实验数据无大错设计不合理，理论分析与计算有原则错误，实验数据不可靠，实际动手能力差，文献引用、调能力强、引用合理、调查调研非常合理、可信用、调查调研比较合理、可信能力，主要文献引用、调查调研比较可信查调研有较大的问题创新1有重大改进或独特见解，有一定实用价值有较大改进或新颖的见解，实用性尚可有一定改进或新的见解有一定见解观念陈旧论文(计算书5结构严谨，逻辑性强，层次清晰，语结构合理，符合逻辑，文章层次分明，结构合理，层次较为分结构基本合理，逻辑基本清楚，文字尚内容空泛，结构混乱，文字表达、图纸)撰写质量言准确，文字流畅，完全符合规范化要求，书写工整或用计算机打印成文；图纸非常工整、清晰语言准确，文字流畅，符合规范化要求，书写工整或用计算机打印成文；图纸工整、清晰明，文理通顺，基本达到规范化要求，书写比较工整；图纸比较工整、清晰通顺，勉强达到规范化要求；图纸比较工整不清，错别字较多，达不到规范化要求；图纸不工整或不清晰指导教师评定成绩：指导教师签名：年月日重庆大学本科学生课程设计任务书课程设计题目倒立摆系统的控制器设计学院 自动化学院 专业 自动化 年级 2010级1、已知参数和设计要求：M ：小车质量 1.096kg m ：摆杆质量 0.109kg b ：小车摩擦系数 0.1N/sec l ：摆杆转动轴心到杆质心的长度 0.25m I ：摆杆惯量 0.0034kgm 2建立以小车加速度为系统输入，以摆杆角度为系统输出的被控对象数学模型。

系 信控 系 主 任批准日期 2015-3-6毕 业 设 计（论 文）任 务 书信息与控制工程 系 自动化 专业 ×× 班 学生 ×× 一、毕业设计(论文)课题旋转单级倒立摆系统建模与实物控制二、毕业设计(论文)工作自 2015 年 3 月 2 日起至 2015 年 6 月 28 日止 三、毕业设计(论文)进行地点学科2号楼801实验室四、毕业设计(论文)的内容要求1、 设计目的倒立摆系统自身是一个典型的绝对不稳定、高阶次、多变量、强耦合的非线性系统。

许多抽象的控制理论概念如系统的可控性、稳定性、系统的抗干扰能力和系统的快速性等，都可以由倒立摆系统直观地展示出来。

近年来，新的控制方法不断出现，人们试图通过倒立摆这样一个典型的控制对象，检验新的控制方法是否有较强的处理多变量、非线性和绝对不稳定系统的能力，从而从中找出最优秀的控制方法。

因此倒立摆系统是一个研究和验证先进控制算法性能的一个优秀平台。

目前国内外关于倒立摆的研究大都集中在直线型倒立摆系统，旋转倒立摆的研究较少。

本次毕业设计以加拿大QUANSER 公司的旋转单级倒立摆为研究对象，采用机理建模法建立其动力学模型，在此基础上分析该倒立摆系统的性能，并设计控制器实现平衡控制且动态性能满足%16.3%,3s t s σ≤≤。

通过此次毕业设计使学生具备如下能力：①通过毕业设计，熟悉和掌握建立实际物理系统模型的能力；②利用经典控制理论和现代控制理论对控制系统进行系统性能分析和控制器设计的能力；③利用MATLAB /SIMULINK 实现控制系统建模、仿真、实物控制并对实验结果进行分析的能力。

④查阅相关中英文文献，了解典型运动控制对象-旋转倒立摆控制技术的前沿发展动态；2、设计要求（1）建立所用的旋转单级倒立摆系统的数学模型并分析系统的性能。

（2）根据给定的性能指标，分别设计满足要求的LQR 控制器和变结构控制器，在MATLAB 环境下实现上述两种控制算法。

单级倒立摆系统的建模与控制器设计摘要：本文主要研究的是单级倒立摆的建模、控制与仿真问题。

倒立摆是一类典型的快速、多变量、非线性、强耦合、自然不稳定系统。

由于在实际中有很多这样的系统，因此对它的研究在理论上和方法论上均有深远的意义。

本文首先建立了单级倒立摆的数学模型，对其进行了近似线性化处理，得到了它的状态空间描述，并对系统的开环特性进行了仿真和分析。

然后，基于极点配置方法设计了单级倒立摆系统的控制器。

最后，用Matlab对系统进行了数值仿真，验证了所设计的控制算法的有效性。

关键词：单级倒立摆；极点配置；建模与控制目录1 绪论 (3)2 单级倒立摆系统的建模与分析 (4)2.1单级倒立摆系统的建模 (4)2.2单级倒立摆系统的模型分析 (8)3 单级倒立摆系统的极点配置控制器设计 (13)3.1单级倒立摆系统控制器设计的目标 (13)3.2单级倒立摆系统的能控性分析 (13)3.3单级倒立摆系统的极点配置控制器设计 (14)3.4闭环系统仿真分析 (16)4 结论 (20)致谢 (21)参考文献 (22)1 绪论倒立摆控制系统是一个复杂的、不稳定的、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。

通过对它的研究不仅可以解决控制中的理论和技术实现问题，还能将控制理论涉及的主要基础学科：力学，数学和计算机科学进行有机的综合应用。

其控制方法和思路无论对理论或实际的过程控制都有很好的启迪，是检验各种控制理论和方法的有效的“试金石”。

倒立摆的研究不仅有其深刻的理论意义，还有重要的工程背景。

在多种控制理论与方法的研究与应用中，特别是在工程实践中，也存在一种可行性的实验问题，使其理论与方法得到有效检验，倒立摆就能为此提供一个从理论通往实践的桥梁，目前，对倒立摆的研究已经引起国内外学者的广泛关注，是控制领域研究的热门课题之一。