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《湖北工业大学》 2008年
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基于倒立摆的三种控制策略的研究

王俊  
【摘要】: 倒立摆是典型的多变量、非线性、强耦合的自然不稳定系统。在对倒立摆的控制过程中能反映控制理论中的许多关键问题,如镇定问题、非线性问题、鲁棒性问题以及跟踪问题等,所以倒立摆被广泛的用来验证各种控制理论和控制方法的有效性。对倒立摆系统的研究在理论上和工程应用上具有着深远的意义,相关的科研成果已经应用到航天科技和机器人学等诸多领域。 本文首先利用牛顿力学分析的方法建立了直线一级倒立摆实物系统的线性状态方程,并在此基础上分析了该系统是不稳定的,同时又是能控的和能观的。然后详细的介绍了直线一级倒立摆实物系统的硬件和软件构成,重点阐述了基于MATLAB/Simulink实时工具箱RTW(Real-Time Workshop)的实控软件的使用方法。 本文主要研究了倒立摆系统的PID控制算法、线性二次最优控制算法和极点配置法,并设计出了这三种算法的控制器,同时利用MATLAB/Simulink仿真分析了这三种算法的优缺点。在PID控制器的设计中,本文提出了一种基于MATLAB/Sumlink的参数整定方法,较好和较快的整定了PID的控制参数,并利用MATLAB/Sumlink仿真实验看出传统的PID算法只能较好的控制摆杆的角度这一个输出量,而对另一个输出量——小车的位移却不能有效的控制,因此传统的PID控制对直线一级倒立摆这样的单输入两输出系统是无法实现稳定控制的。在LQR最优控制器的设计中,我们通过不断的MATLAB仿真实验总结出了性能矩阵Q选择的一般原则,为LQR算法的实际应用给出了一定的理论指导,同时通过MATLAB仿真,得出LQR算法是能较好的控制倒立摆系统,并具有较好的稳态效果。在极点配置法控制器的设计中,我们同样通过MATLAB仿真验证了其对倒立摆系统具有较好的控制效果。同时将极点配置法和LQR法进行了MATLAB仿真比较,得出极点配置法的响应时间较快,鲁棒性和动态性较好,而LQR算法具有较小的超调量和较好的稳态效果。最后指出极点配置法适合应用到要求快速响应的控制系统中,而LQR法适合应用到对稳态性能要求较高的控制系统中。
【学位授予单位】:湖北工业大学
【学位级别】:硕士
【学位授予年份】:2008
【分类号】:TP13

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【引证文献】
中国硕士学位论文全文数据库 前5条
1 姜良银;两轮自平衡机器人控制关键技术的研究[D];上海大学;2011年
2 谢冬菊;环形倒立摆控制系统的设计和仿真[D];西南石油大学;2011年
3 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年
4 汤维;基于直线二级倒立摆控制系统的研究[D];内蒙古科技大学;2012年
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【参考文献】
中国期刊全文数据库 前10条
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【共引文献】
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中国重要会议论文全文数据库 前10条
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中国博士学位论文全文数据库 前10条
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6 曾智刚;波浪运动升沉补偿液压平台关键问题试验研究[D];华南理工大学;2010年
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8 罗珂;基于输出预测和LMI方法的电力系统广域阻尼控制研究[D];山东大学;2010年
9 李奇南;钢板磁悬浮系统控制[D];浙江大学;2010年
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中国硕士学位论文全文数据库 前10条
1 杨亮;基于DSP的交流异步电动机变频调速技术研究[D];安徽工程大学;2010年
2 张蛟龙;平面二级倒立摆的控制策略研究[D];河南理工大学;2010年
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【同被引文献】
中国期刊全文数据库 前10条
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中国重要会议论文全文数据库 前4条
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中国博士学位论文全文数据库 前2条
1 王晓宇;两轮自平衡机器人的研究[D];哈尔滨工业大学;2007年
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中国硕士学位论文全文数据库 前10条
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【二级引证文献】
中国期刊全文数据库 前1条
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1 张锐;雷达伺服系统与人机实验系统的研发[D];西安电子科技大学;2013年
【二级参考文献】
中国期刊全文数据库 前10条
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【相似文献】
中国期刊全文数据库 前10条
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中国重要会议论文全文数据库 前10条
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4 李爱莲;解韶峰;崔桂梅;;三级倒立摆系统的滑模变结构控制[A];冶金轧制过程自动化技术交流会论文集[C];2005年
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6 王直杰;方建安;邵世煌;;一种增强式学习算法及其在控制中的应用[A];1996中国控制与决策学术年会论文集[C];1996年
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中国博士学位论文全文数据库 前10条
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5 高兴泉;时域约束T-S模糊系统的控制方法研究[D];吉林大学;2006年
6 王庆凤;网络控制系统的鲁棒控制方法研究及仿真平台搭建[D];吉林大学;2009年
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8 张雪峰;线性时变周期系统的能控性、稳定性分析与粗糙控制[D];东北大学;2010年
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1 狄艳坤;神经网络技术在倒立摆系统中的应用研究[D];哈尔滨理工大学;2010年
2 焦灵侠;模糊控制在倒立摆系统中的应用研究[D];西安工业大学;2010年
3 王玉琢;基于模糊神经网络的倒立摆系统控制研究[D];哈尔滨理工大学;2010年
4 汪涛;模糊神经网络控制在单级倒立摆系统中的应用[D];合肥工业大学;2004年
5 赵梦欣;倒立摆的非线性动力学与控制的研究[D];北京工业大学;2003年
6 郭刚;自适应神经模糊控制策略在倒立摆系统中的研究[D];太原理工大学;2004年
7 钱征;基于强化学习的倒立摆控制研究[D];北京工业大学;2005年
8 王瑞霞;基于强化学习的倒立摆控制[D];北京工业大学;2005年
9 黄苑虹;倒立摆系统的稳定控制研究[D];广东工业大学;2002年
10 陶格;基于模糊控制的两级倒立摆的研究[D];北方工业大学;2005年
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