直线一级倒立摆系统的pid控制器设计与分析(附件)【字数：9563】
摘 要倒立摆系统是一个典型快速的，多变量的，不稳定的，复杂的非线性系统。在我们实际生产生活中有很多类似于倒立摆的系统的应用，对倒立摆系统的研究对于自动控制系统有特殊的实际意义。直线一级倒立摆系统是本论文主要的研究对象，设计出PID控制器，掌握控制方法，将它在MATLAB中仿真，最后进行控制器的比较分析。首先，本论文从概述倒立摆系统及其研究现状并对其进行详细介绍，从而阐述自动控制和倒立摆系统的分类和特性以及研究意义。接着叙述它的结构硬件组成，分析建立直线一级倒立摆系统的数学模型，并对它进行性能分析，然后设计出PID控制器，以MATLAB为基础进行仿真，调节PID参数。通过大量仿真实验比较不同参数的仿真效果，来进行比较。最后通过设计不同的控制器在仿真中与PID控制器来进行比较，分析PID控制系统的优劣性。
目 录
第一章 绪论 2
1.1引言 2
1.2课题研究背景及意义 2
1.3倒立摆的分类与特性 3
1.3.1倒立摆的系统的分类 3
1.3.2倒立摆的系统的特性 3
1.4倒立摆控制系统的发展及现状 4
1.5课题研究的主要内容 4
1.6本章小结 5
第二章 直线一级倒立摆系统的建模与分析 6
2.1直线一级倒立摆数学建模 6
2.2直线一级倒立摆系统的性能分析 10
2.3本章小结 11
第三章 倒立摆系统的PID控制器设计 12
3.1PID控制器的组成和原理 12
3.2直线一级倒立摆PID控制系统设计 13
3.3本章小结 14
第四章 直线一级倒立摆系统的PID控制仿真实验 16
4.1直线一级倒立摆PID仿真系统设计 16
4.1.1PID控制系统 16
4.1.2 PID控制参数设定 17
4.2几种控制方法的比较 22
4.3本章小结 25
第五章 总结与展望 26
5.1全文总结 26
5.2进一步展望 26
致 谢 27
参考文献 *好棒文|www.hbsrm.com +Q: ￥351916072$
28
第一章 绪论
1.1引言
倒立摆系统的特性很多，它是复杂的，不稳定的，多变量非线性的系统。它是典型的理想控制理论平台。通过这个平台，我们可以实现很多自动控制理论系统中的动态特性，像系统的鲁棒性，适应性都可以实现。
我们在进行对倒立摆系统研究时，可以验证一些自动控制理论和技术的实现问题，它也是数学，智能技术，计算机控制等多种技术的有机结合。不管是倒立摆系统的实际过程控制，还是对它的控制方法和理论研究，都是检验自动控制理论和方法的有效途径。从某种水平上来说，在解决一些实际问题时，倒立摆系统就可以起到过渡作用，使这些控制方法得到检验。而这些控制方法在工业，航天领域以及军工制造等领域都有广泛的应用。
在日常的生活中，由于PID结构简单，易于学习，适应性好，所以应用十分广泛，控制品质易受被控对象自身变化影响较小。
PID控制的种类很多，其中就有模糊PID控制，神经网络PID控制，预测PID控制等等。在上世纪早期，除了开关控制可能会用到之外，PID控制基本上是日常中惟一的控制方式。到今天为止，PID控制技术在工业生产中仍然占有主体地位。所以研究设计一级倒立摆系统的PID控制器具有很大的实际意义。
1.2课题研究背景及意义
早在上世纪中期，科学家们就开始了对倒立摆系统有一定的了解。在那个时候，麻省理工学院的控制理论专家根据火箭发射助推器原理设计出了一级倒立摆的实验设备。1966年 Schaefer 和 Cannon 应用 BangBang 控制理论，将一个曲轴稳定于倒置位置。到20世纪60年代后期，倒立摆作为一个典型不稳定、非线性的例证被提出。自此，对于倒立摆系统的研究便成为控制界关注的焦点[12]。
倒立摆系统的控制方法，在科学家们不断地探索研究中，使之在工业、军事、自动化领域和一般工程建设中都有着广泛的应用，例如机器人在行走时的平衡控制等等科学领域上。如今，在控制理论学者的不懈努力和研究下，关于倒立摆系统的研究已经进入到了一个较为成熟的阶段，并且朝着更好的方向发展。
PID控制器是工业上用的最广泛的控制器，PID控制器的优化成为人们关注的焦点，控制器的好坏对控制结果有直接的影响，并且和系统的安全，工业生产，经济发展有密不可分的关系。PID控制器是最早投入使用的控制器之一，到现在已有五十年的历史，PID控制器原理简单易懂，在使用过程中，建模没有和严格的要求，因而成为了工业中应用最为广泛的控制器。
关于PID参数的整定有很多整定方法，我们要根据不同的情况使用不用的的整定方法。每种结果的整定方法都不一样，我们需要通过比较来找到最适合的整定方法。
PID控制器作为最早使用的控制方法之一，因为它原理简单直观，使用比较方便;易被人们所接受，稳定性较好，所以应用广泛，鲁棒性强。所以我们决定选择设计直线一级倒立摆的PID控制器，分析其控制效果，并与其它控制器相比较。
1.3倒立摆的分类与特性
1.3.1倒立摆的系统的分类
倒立摆控制系统对控制领域作用很大，是典型的控制理论实验平台。我们可以利用倒立摆系统来研究控制系统的非线性问题，鲁棒性问题等等，也可以在倒立摆系统上进行校验该控制方法是否有较强的处理不稳定性问题和非线性问题的能力。
倒立摆的种类有很多，最典型的有直线型倒立摆、平面型倒立摆、环形倒立摆；倒立摆系统按级数可分为: 一级、二级、三级、四级、多级等；按其运动轨道可分为：水平式、倾斜式；按控制电机又可分为：单电机和多级电机[4]。
1.3.2倒立摆的系统的特性
倒立摆系统的分类多种多样，结构多变，但不管它具有怎么样的结构和形式，它都是复杂，不稳定的多变量系统。研究这些特性也使研究变得更有意义。
目 录
第一章 绪论 2
1.1引言 2
1.2课题研究背景及意义 2
1.3倒立摆的分类与特性 3
1.3.1倒立摆的系统的分类 3
1.3.2倒立摆的系统的特性 3
1.4倒立摆控制系统的发展及现状 4
1.5课题研究的主要内容 4
1.6本章小结 5
第二章 直线一级倒立摆系统的建模与分析 6
2.1直线一级倒立摆数学建模 6
2.2直线一级倒立摆系统的性能分析 10
2.3本章小结 11
第三章 倒立摆系统的PID控制器设计 12
3.1PID控制器的组成和原理 12
3.2直线一级倒立摆PID控制系统设计 13
3.3本章小结 14
第四章 直线一级倒立摆系统的PID控制仿真实验 16
4.1直线一级倒立摆PID仿真系统设计 16
4.1.1PID控制系统 16
4.1.2 PID控制参数设定 17
4.2几种控制方法的比较 22
4.3本章小结 25
第五章 总结与展望 26
5.1全文总结 26
5.2进一步展望 26
致 谢 27
参考文献 *好棒文|www.hbsrm.com +Q: ￥351916072$
28
第一章 绪论
1.1引言
倒立摆系统的特性很多，它是复杂的，不稳定的，多变量非线性的系统。它是典型的理想控制理论平台。通过这个平台，我们可以实现很多自动控制理论系统中的动态特性，像系统的鲁棒性，适应性都可以实现。
我们在进行对倒立摆系统研究时，可以验证一些自动控制理论和技术的实现问题，它也是数学，智能技术，计算机控制等多种技术的有机结合。不管是倒立摆系统的实际过程控制，还是对它的控制方法和理论研究，都是检验自动控制理论和方法的有效途径。从某种水平上来说，在解决一些实际问题时，倒立摆系统就可以起到过渡作用，使这些控制方法得到检验。而这些控制方法在工业，航天领域以及军工制造等领域都有广泛的应用。
在日常的生活中，由于PID结构简单，易于学习，适应性好，所以应用十分广泛，控制品质易受被控对象自身变化影响较小。
PID控制的种类很多，其中就有模糊PID控制，神经网络PID控制，预测PID控制等等。在上世纪早期，除了开关控制可能会用到之外，PID控制基本上是日常中惟一的控制方式。到今天为止，PID控制技术在工业生产中仍然占有主体地位。所以研究设计一级倒立摆系统的PID控制器具有很大的实际意义。
1.2课题研究背景及意义
早在上世纪中期，科学家们就开始了对倒立摆系统有一定的了解。在那个时候，麻省理工学院的控制理论专家根据火箭发射助推器原理设计出了一级倒立摆的实验设备。1966年 Schaefer 和 Cannon 应用 BangBang 控制理论，将一个曲轴稳定于倒置位置。到20世纪60年代后期，倒立摆作为一个典型不稳定、非线性的例证被提出。自此，对于倒立摆系统的研究便成为控制界关注的焦点[12]。
倒立摆系统的控制方法，在科学家们不断地探索研究中，使之在工业、军事、自动化领域和一般工程建设中都有着广泛的应用，例如机器人在行走时的平衡控制等等科学领域上。如今，在控制理论学者的不懈努力和研究下，关于倒立摆系统的研究已经进入到了一个较为成熟的阶段，并且朝着更好的方向发展。
PID控制器是工业上用的最广泛的控制器，PID控制器的优化成为人们关注的焦点，控制器的好坏对控制结果有直接的影响，并且和系统的安全，工业生产，经济发展有密不可分的关系。PID控制器是最早投入使用的控制器之一，到现在已有五十年的历史，PID控制器原理简单易懂，在使用过程中，建模没有和严格的要求，因而成为了工业中应用最为广泛的控制器。
关于PID参数的整定有很多整定方法，我们要根据不同的情况使用不用的的整定方法。每种结果的整定方法都不一样，我们需要通过比较来找到最适合的整定方法。
PID控制器作为最早使用的控制方法之一，因为它原理简单直观，使用比较方便;易被人们所接受，稳定性较好，所以应用广泛，鲁棒性强。所以我们决定选择设计直线一级倒立摆的PID控制器，分析其控制效果，并与其它控制器相比较。
1.3倒立摆的分类与特性
1.3.1倒立摆的系统的分类
倒立摆控制系统对控制领域作用很大，是典型的控制理论实验平台。我们可以利用倒立摆系统来研究控制系统的非线性问题，鲁棒性问题等等，也可以在倒立摆系统上进行校验该控制方法是否有较强的处理不稳定性问题和非线性问题的能力。
倒立摆的种类有很多，最典型的有直线型倒立摆、平面型倒立摆、环形倒立摆；倒立摆系统按级数可分为: 一级、二级、三级、四级、多级等；按其运动轨道可分为：水平式、倾斜式；按控制电机又可分为：单电机和多级电机[4]。
1.3.2倒立摆的系统的特性
倒立摆系统的分类多种多样，结构多变，但不管它具有怎么样的结构和形式，它都是复杂，不稳定的多变量系统。研究这些特性也使研究变得更有意义。
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