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柔性倒立摆的控制方法研究

作　者: 赵潇菲
导　师: 张井岗
学　校: 太原科技大学
专　业: 控制理论与控制工程
关键词: 直线一级柔性倒立摆 PD控制器模糊控制器融合函数滑模变结构控制饱和函数
分类号: TP13
类　型: 硕士论文
年　份: 2010年
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内容摘要

倒立摆系统是一个高阶的、非线性、强耦合的绝对不稳定系统,它是检验各种新的控制理论与方法的一个有效的工具。本文以直线一级柔性倒立摆为研究对象,首先基于拉格朗日方程建立了系统的数学模型,并对其性能进行了分析。其次分别应用PD控制方法、模糊控制方法以及滑模变结构控制方法对直线一级柔性倒立摆系统进行了控制研究。具体方法如下:(1)设计了三回路PD控制器对直线一级柔性倒立摆系统的三个变量进行了控制,并利用极点配置方法整定控制器参数,最后将该控制算法运用到实际的柔性倒立摆系统中,成功地稳定住直线一级柔性倒立摆,实验证明PD控制器也能实现对非线性、多变量不稳定系统的控制。(2)针对直线一级柔性倒立摆系统多变量的特性,提出了基于融合函数的模糊控制器。具体过程是:利用最优控制理论计算出使系统稳定的反馈增益矩阵,由反馈增益矩阵构造融合函数,由此减少了模糊控制器的输入变量维数,解决了“规则爆炸”问题。MATLAB-SIMULINK仿真和实际实验结果证明该方案的正确性和有效性。(3)将滑模变结构控制算法应用于直线一级柔性倒立摆系统,设计了基于指数趋近率的滑模控制器,并采用指数趋近律与饱和函数相结合的准滑模变结构控制来削弱抖振。仿真结果验证了该方案的正确性和有效性。

全文目录

摘要  3-4
ABSTRACT  4-8
第一章绪论  8-12
  1.1 论文选题的目的和意义  8
  1.2 倒立摆的特性  8-9
  1.3 倒立摆控制在国内外研究动态  9-10
  1.4 倒立摆系统的控制方法  10
  1.5 本课题主要完成的工作  10-12
第二章柔性倒立摆数学模型的建立及其性能分析  12-18
  2.1 柔性倒立摆系统建模  12-17
    2.1.1 系统平衡点  14-15
    2.1.2 系统线性化及状态空间模型  15-17
  2.2 柔性倒立摆系统的性能分析  17
    2.2.1 系统稳定性分析  17
    2.2.2 系统的可控性分析  17
  2.3 小结  17-18
第三章柔性倒立摆系统的PD 控制  18-22
  3.1 PID 控制原理  18
  3.2 柔性倒立摆的PD 控制器设计  18-19
  3.3 仿真研究  19-21
  3.4 结束语  21-22
第四章柔性倒立摆的模糊控制算法研究  22-32
  4.1 引言  22
  4.2 模糊控制  22-26
    4.2.1 模糊控制系统结构  22-23
    4.2.2 模糊控制原理  23-25
    4.2.3 模糊控制器的维数  25-26
  4.3 柔性倒立摆的模糊控制算法  26-31
    4.3.1 基于融合函数的模糊控制算法  26-27
    4.3.2 模糊控制器设计  27-29
    4.3.3 仿真结果  29-31
  4.4 小结  31-32
第五章柔性倒立摆的滑模变结构算法研究  32-46
  5.1 滑模控制简介  32-37
    5.1.1 滑模控制基本原理  33-34
    5.1.2 滑模状态的一般性描述  34-35
    5.1.3 滑动模态的存在及到达条件  35-36
    5.1.4 滑动模态的不变性  36-37
    5.1.5 滑模控制器设计基本方法  37
  5.2 柔性倒立摆的滑模控制  37-40
    5.2.1 仿真研究及分析  38-40
  5.3 滑模变结构控制系统的抖振问题  40-45
    5.3.1 准滑动模态控制  43
    5.3.2 准滑动模态控制柔性倒立摆仿真研究  43-45
  5.4 小结  45-46
第六章 PD 控制和模糊控制在柔性倒立摆系统中的应用  46-52
  6.1 柔性倒立摆系统硬件结构  46-47
    6.1.1 柔性倒立摆系统的工作原理  47
  6.2 Real-Time Windows Target 简介  47-48
  6.3 PD 控制实验  48-49
  6.4 模糊控制实验  49-50
  6.5 小结  50-52
结论  52-54
参考文献  54-58
致谢  58-59
攻读学位期间发表的学术论文目录  59-60

柔性倒立摆的控制方法研究

内容摘要

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