基于matlab的倒立擺模糊控制_課程設計報告(已修改)
2025-09-06 15:22 本頁面
【正文】 I 智能控制理論及應用 課程設計報告 題 目 ： 基于 matlab 的倒立擺模糊控制 院 系： 西北民族大學電氣工程學院 專業(yè)班級 ： 10 級 自動化（ 3） 班 學生姓名 ： 蔡 余 敏 學 號 ： P101813455 指導教師 ： 刁 晨 基于 MATLAB 的倒立擺模糊控制 caymi 第 1 頁 共 24 頁 基于 MATLAB 的倒 立擺模糊控制 作者： 蔡余敏 指導老師： 刁晨 摘要： 倒立擺的控制問題就是使擺桿盡快地達到一個平衡位置，并且使之沒有大的振蕩和過大的角度和速度。當擺桿到達期望的位置后，系統(tǒng)能克服隨機擾動而保持穩(wěn)定的位置。 本文主要針對較為簡單的單級倒立擺控制系統(tǒng)而進行的設計分析。通過建立微分方程模型，求出相關參數，設計出對應的模糊控制器，并運用 MATLAB 軟件進行系統(tǒng)模型的軟件仿真，從而達到預定控制效果。目前，一級倒立擺的研究成果應用于火箭發(fā)射推進器和控制衛(wèi)星的飛行狀態(tài)等航空航天領域。 關鍵詞： 單級倒立 擺；微分方程；模糊控制； MATLAB 仿真 基于 MATLAB 的倒立擺模糊控制 caymi 第 2 頁 共 24 頁 1 背景分析 倒立擺控制系統(tǒng)是一個復雜的、不穩(wěn)定的、 非線性系統(tǒng) ，是進行控制理論教學及開展各種控制實驗的理想實驗平臺。對倒立擺系統(tǒng)的研究能有效的反映控制中的許多典型問題：如非線性問題、 魯棒性 問題、鎮(zhèn)定問題、隨動問題以及跟蹤問題等。通過對倒立擺 的控制，用來檢驗新的控制方法是否有較強的處理非線性和不穩(wěn)定性問題的能力。同時，其控制方法在軍工、航天、機器人和一般工業(yè)過程領域中都有著廣泛的用途，如機器人行走過程中的平衡控制、火箭發(fā)射中的垂直度控制和衛(wèi)星飛行中的姿態(tài)控制等。 正是由于倒立擺系統(tǒng)的特殊性，許多不同領域的專家學者在檢驗新提出理論的正確性和實際可行性時，都將倒立擺系統(tǒng)作為實驗測試平臺。再將經過測試后的控制理論和控制方法應用到更為廣泛的領域中去?，F代控制理論已經在工業(yè)生產過程、軍事科學、航空航天等許多方面都取得了成功的應用。例如極小值原理可以用來解 決某些最優(yōu)控制問題；利用卡爾曼濾波器可以對具有有色噪聲的系統(tǒng)進行狀態(tài)估計；預測控制理論可以對大滯后過程進行有效的控制。但是它們都有一個基本的要求：需要建立被控對象的精確數學模型。 隨著科學技術的迅猛發(fā)展，各個領域對自動控制控制精度、響應速度、系統(tǒng)穩(wěn)定性與適應能力的要求越來越高，所研究的系統(tǒng)也日益復雜多變。然而由于一系列的原因，諸如被控對象或過程的非線性、時變性、多參數間的強烈耦合、較大的隨機干擾、過程機理錯綜復雜、基于 MATLAB 的倒立擺模糊控制 caymi 第 3 頁 共 24 頁 各種不確定性以及現場測量手段不完善等，難以建立被控對象的精確模型。雖然常規(guī)自適應控制技術可以解 決一些問題，但范圍是有限的。對于像二級倒立擺這樣的非線性、多參數、強耦合的被控對象，使用傳統(tǒng)控制理論難以達到良好的控制性能。而模糊控制理論能夠克服這些困難，達到實際設計要求。 所以說，對倒立擺系統(tǒng)控制理論的研究不僅具有理論研究價值，也具有相當的實際工程應用價值。 2 提出控制問題 倒立擺控制問題是展示智能控制方法由于傳統(tǒng)控制方法的典型范例。一級倒立擺的背景源于火箭發(fā)射助推器；二級倒立擺于雙足機器人控制有關。這里只討論一級倒立擺的控制問題。 有一個倒立擺控制系統(tǒng)如圖 所示。 圖 倒立擺控制系統(tǒng) 基于 MATLAB 的倒立擺模糊控制 caymi 第 4 頁 共 24 頁 它由小車和倒立擺構成，小車在控制器的作用下，沿滑軌在水平方向運動，使倒立擺在垂直平面內穩(wěn)定。 倒立擺的控制問題就是使擺桿盡快地達到一個平衡位置，并且使之沒有大的振蕩和過大的角度和速度。當擺桿到達期望的位置后，系統(tǒng)能克 服隨機擾動而保持穩(wěn)定的位置。 倒立擺系統(tǒng)的輸入為小車的 位移 （即位置）和擺桿的傾斜角度 期望值 ，計算機在每一個采樣周期中采集來自 傳感器 的小車與擺桿的實際位置信號，與期望值進行比較后，通過控制 算法 得到控制量，再經數模轉換驅動直流電機實現倒立擺的實時控制。直流電機通過皮帶帶動小車在固定的軌道上運動，擺桿的一端安裝在小車上，能以此點為軸心使擺桿能在垂直的平面上自由地擺動。作用力平行于鐵軌的方向作用于小車，使桿繞小車上的軸在豎直平
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