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直线柔性二级倒立摆优化控制研究

作 者: 郝智超
导 师: 刘克平
学 校: 长春工业大学
专 业: 控制理论与控制工程
关键词: 柔性倒立摆 数学模型 H_∞鲁棒控制 仿真及实验研究
分类号: TP13
类 型: 硕士论文
年 份: 2010年
下 载: 47次
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内容摘要


倒立摆是理想的自动控制理论研究实验平台,许多抽象的控制概念如系统稳定性,可控性,抗干扰能力等,都可以通过倒立摆直观的表现出来。因此,自从20世纪50年代以来,倒立摆就成了控制实验室的经典工具。倒立摆是典型的非线性、高阶次、强耦合、不稳定、欠驱动系统,研究倒立摆的精确控制对工业生产中复杂对象的控制有着重要的应用价值,因此倒立摆仿真或实物控制实验是控制领域中用来检验某种控制理论或方法的典型方案。柔性连接倒立摆系统是比直线倒立摆更加复杂和难以控制的一种典型的非线性自不稳定系统,它是在直线倒立摆系统的基础上引入了新的自由振荡环节:自由弹簧系统。由于闭环系统的响应频率受到弹簧系统振荡频率的限制,从而增加了对该系统控制器设计的限制。在本论文中首先简要对倒立摆系统和鲁棒控制理论进行了介绍。接着详细地讲述了H∞控制理论。本文是以固高GLIP2011型直线柔性倒立摆为研究对象,采用拉格朗日方程建立了平面倒立摆的数学模型,通过将其在平衡位置附近进行泰勒级数展开并线性化,得到了系统在两个正交方向的线性化模型。基于所建立的倒立摆线性化模型建立了柔性一级,二级倒立摆系统的H∞状态反馈控制器,并进行了MATLAB仿真,并给出了与LQR (Linear Quadratic Regulator)控制相比较的仿真结果和柔性一级倒立摆系统的实际控制曲线,在实物控制实验中,完成了柔性一级,二级倒立摆的平衡控制,取得了令人满意的结果。然后深入研究了固高科技公司设计的四轴运动控制器GT-400的工作原理,外围接口,指令程序和程序设计方法。其为了柔性倒立摆的进一步开发和研究打下了良好的基础。

全文目录


摘要  2-3
Abstract  3-7
主要符号表  7-8
第一章 绪论  8-16
  1.1 选题的目的和意义  8-9
  1.2 倒立摆系统概述  9-11
  1.3 柔性倒立摆控制系统建模与控制策略  11-15
  1.4 本文主要研究内容  15-16
第二章 鲁棒控制基本理论  16-33
  2.1 鲁棒控制的基本概念  16-17
  2.2 不确定性的数学描述及分类  17-20
    2.2.1 非结构不确定性  17-19
    2.2.2 参数不确定性  19
    2.2.3 结构不确定性  19-20
  2.3 H_∞控制简介  20-22
    2.3.1 H_∞控制的历史与发展  20-21
    2.3.2 H_∞范数的定义  21
    2.3.3 H_∞范数的计算  21-22
  2.4 H_∞状态反馈控制  22-32
    2.4.1 H_∞标准控制问题  22-24
    2.4.2 H_∞状态反馈控制问题  24
    2.4.3 H_∞状态反馈控制器  24-27
    2.4.4 参数不确定系统的鲁棒H_∞控制  27-29
    2.4.5 干扰抑制问题  29-30
    2.4.6 干扰抑制和鲁棒稳定性问题  30-32
  2.5 本章小节  32-33
第三章 柔性倒立摆控制系统数学模型建立  33-40
  3.1 柔性一级倒立摆系统动力学模型  33-34
  3.2 柔性二级倒立摆系统动力学模型  34-39
  3.3 本章小结  39-40
第四章 柔性倒立摆系统鲁棒优化控制仿真实验研究  40-47
  4.1 柔性倒立摆控制模型分析  40-42
  4.2 一级柔性倒立摆系统的H_∞鲁棒控制器设计及仿真研究  42-43
  4.3 二级柔性倒立摆系统的H_∞鲁棒控制器设计及仿真研究  43-46
  4.4 本章小结  46-47
第五章 柔性倒立摆控制系统实验台设计及实验研究  47-58
  5.1 柔性倒立摆控制系统总体方案设计  47-49
  5.2 柔性倒立摆控制系统  49-54
    5.2.1 柔性倒立摆系统的硬件结构  49-53
    5.2.2 柔性倒立摆系统的软件设计  53-54
  5.3 实验结果及分析  54-57
    5.3.1 柔性一级倒立摆实验结果  54-56
    5.3.2 柔性二级倒立摆的实验结果  56-57
  5.4 本章小结  57-58
第六章 全文总结  58-59
参考文献  59-62
致谢  62-63
攻读硕士学位期间研究成果  63-64

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中图分类: > 工业技术 > 自动化技术、计算机技术 > 自动化基础理论 > 自动控制理论
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