【正文】 青島理工大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì) 畢 業(yè) 設(shè) 計(jì)（論 文）題目 直線二級(jí)倒立擺控制策略研究 畢業(yè)論文（設(shè)計(jì)）原創(chuàng)性聲明本人所呈交的畢業(yè)論文（設(shè)計(jì)）是我在導(dǎo)師的指導(dǎo)下進(jìn)行的研究工作及取得的研究成果。據(jù)我所知，除文中已經(jīng)注明引用的內(nèi)容外，本論文（設(shè)計(jì)）不包含其他個(gè)人已經(jīng)發(fā)表或撰寫過(guò)的研究成果。對(duì)本論文（設(shè)計(jì)）的研究做出重要貢獻(xiàn)的個(gè)人和集體，均已在文中作了明確說(shuō)明并表示謝意。 作者簽名： 日期： 畢業(yè)論文（設(shè)計(jì)）授權(quán)使用說(shuō)明本論文（設(shè)計(jì)）作者完全了解**學(xué)院有關(guān)保留、使用畢業(yè)論文（設(shè)計(jì)）的規(guī)定，學(xué)校有權(quán)保留論文（設(shè)計(jì)）并向相關(guān)部門送交論文（設(shè)計(jì)）的電子版和紙質(zhì)版。有權(quán)將論文（設(shè)計(jì)）用于非贏利目的的少量復(fù)制并允許論文（設(shè)計(jì)）進(jìn)入學(xué)校圖書館被查閱。學(xué)?？梢怨颊撐模ㄔO(shè)計(jì)）的全部或部分內(nèi)容。保密的論文（設(shè)計(jì)）在解密后適用本規(guī)定。 作者簽名： 指導(dǎo)教師簽名： 日期： 日期： 注 意 事 項(xiàng)（論文）的內(nèi)容包括：1）封面（按教務(wù)處制定的標(biāo)準(zhǔn)封面格式制作）2）原創(chuàng)性聲明3）中文摘要（300字左右）、關(guān)鍵詞4）外文摘要、關(guān)鍵詞 5）目次頁(yè)（附件不統(tǒng)一編入）6）論文主體部分：引言（或緒論）、正文、結(jié)論7）參考文獻(xiàn)8）致謝9）附錄（對(duì)論文支持必要時(shí)）：理工類設(shè)計(jì)（論文）正文字?jǐn)?shù)不少于1萬(wàn)字（不包括圖紙、程序清單等）。：任務(wù)書、開(kāi)題報(bào)告、外文譯文、譯文原文（復(fù)印件）。、圖表要求：1）文字通順，語(yǔ)言流暢，書寫字跡工整，打印字體及大小符合要求，無(wú)錯(cuò)別字，不準(zhǔn)請(qǐng)他人代寫2）工程設(shè)計(jì)類題目的圖紙，要求部分用尺規(guī)繪制，部分用計(jì)算機(jī)繪制，所有圖紙應(yīng)符合國(guó)家技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范。圖表整潔，布局合理，文字注釋必須使用工程字書寫，不準(zhǔn)用徒手畫3）畢業(yè)論文須用A4單面打印，論文50頁(yè)以上的雙面打印4）圖表應(yīng)繪制于無(wú)格子的頁(yè)面上5）軟件工程類課題應(yīng)有程序清單，并提供電子文檔1）設(shè)計(jì)（論文）2）附件：按照任務(wù)書、開(kāi)題報(bào)告、外文譯文、譯文原文（復(fù)印件）次序裝訂3）其它摘 要 倒立擺是一個(gè)復(fù)雜的多變量強(qiáng)耦合不穩(wěn)定非線性的系統(tǒng)，借助于這樣一個(gè)系統(tǒng)可以有效的檢測(cè)各種控制理論的好壞。本論文研究了倒立擺系統(tǒng)的建模方法，采用Lagrange方程對(duì)二級(jí)倒立擺系統(tǒng)進(jìn)行建模。針對(duì)倒立擺的狀態(tài)空間方程，采用MatLab軟件對(duì)倒立擺的穩(wěn)定性，能控性，能觀性和可控度做了分析。采用最優(yōu)控制理論對(duì)倒立擺系統(tǒng)進(jìn)行穩(wěn)擺控制并進(jìn)行仿真，并利用該理論將倒立擺的數(shù)學(xué)模型加以改進(jìn)，并對(duì)改進(jìn)后的倒立。經(jīng)過(guò)仿真分析確認(rèn)改進(jìn)后的倒立擺系統(tǒng)控制效果得到了明顯的改善。 本文分別用PID和LQR控制設(shè)計(jì)了控制器，通過(guò)MATLAB仿真，驗(yàn)證了所設(shè)計(jì)的控制器的有效性、穩(wěn)定性和抗干擾性。關(guān)鍵詞: 倒立擺,PID,LQR,MATLAB,仿真III ABSTRACT Inverted pendulum is a plex nonlinear multivariable strong coupling system instability by means of such a system can effectively detect the quality of various control theory. This paper studies the inverted pendulum system modeling method using Lagrange equation for double inverted pendulum system modeling. For inverted pendulum state space equation, using MatLab software inverted pendulum stability, controllability, observability and controllability were analyzed。 using optimal control theory pendulum swing stability control system and simulation, and using the theoretical mathematical model of the inverted pendulum will be improved, and the inverted improved. The simulation analysis confirmed the improved inverted pendulum control effect has been significantly improved In this paper, the design of the controller with PID control and LQR control, through MATLAB simulation to verify the validity of the designed controller, stability and antijamming.KEY WORDS：Inverted pendulum,PID, LQR,MATLAB,SimulationIV目 錄摘 要 IABSTRACT II第1章 緒論 1 倒立擺系統(tǒng)的研究意義 1 倒立擺系統(tǒng)的研究現(xiàn)狀 1 國(guó)外研究現(xiàn)狀 2 國(guó)內(nèi)研究現(xiàn)狀 2 倒立擺系統(tǒng)的控制方法 3 本文的主要內(nèi)容 4第2章 倒立擺系統(tǒng)簡(jiǎn)介 5 倒立擺分類 5 倒立擺的特性 6 直線二級(jí)倒立擺的結(jié)構(gòu)和工作原理 6 本章小結(jié) 7第3章 二級(jí)倒立擺系統(tǒng)模型的建立 9 倒立擺系統(tǒng)的物理結(jié)構(gòu)及特性分析 9 直線二級(jí)倒立擺的數(shù)學(xué)模型 9 數(shù)學(xué)建模的方法 9 拉格朗日運(yùn)動(dòng)方程 10 推導(dǎo)建立數(shù)學(xué)模型 11 本章小結(jié) 17第4章 二級(jí)倒立擺系統(tǒng)控制策略的研究 18 穩(wěn)定性分析 18 能控性能觀性分析 18 本章小結(jié) 20第5章 倒立擺系統(tǒng)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與仿真 21 倒立擺 PID 控制方法設(shè)計(jì) 21 PID 參數(shù)整定 23 PID控制算法的matlab仿真 23 二級(jí)倒立擺LQR控制設(shè)計(jì)及仿真 26 二級(jí)倒立擺控制系統(tǒng)框圖 26 任選加權(quán)陣的LQR最優(yōu)控制仿真 27結(jié)論和展望 30致謝 31參考文獻(xiàn) 32附錄A 33附錄B 35第1章 緒論 倒立擺系統(tǒng)的研究意義 倒立擺系統(tǒng)是一個(gè)多變量、非線性并且強(qiáng)耦合的自然不穩(wěn)定系統(tǒng)，可以映射出控制領(lǐng)域諸如系統(tǒng)鎮(zhèn)定、隨動(dòng)、跟蹤以及魯棒性許多關(guān)鍵特性。倒立擺系統(tǒng)廣泛應(yīng)用于檢驗(yàn)新生控制理論或方法的正確性、實(shí)用性以及測(cè)試各種現(xiàn)有控制方法之間的性能優(yōu)劣，同時(shí)該裝置成本低廉、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單又便于實(shí)驗(yàn)室操作，受到了世界各國(guó)學(xué)者和專家的青睞，被廣泛應(yīng)用于研究非線性、變結(jié)構(gòu)、智能控制以及目標(biāo)定位等多種控制方法中，成為理想的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，被譽(yù)為“控制領(lǐng)域的一顆明珠”。倒立擺系統(tǒng)的控制方法在軍事防御、機(jī)器人研發(fā)和一般工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程中都有重要的工程意義，例如，雙足機(jī)器人的站立行走與二級(jí)倒立擺極為相似，火箭等飛行器的助推器可類比一級(jí)倒立擺，而多級(jí)火箭飛行姿態(tài)的控制與多級(jí)倒立擺的控制原理相似，這就使得倒立擺的穩(wěn)定控制和自起擺控制的研究成果廣泛深入到各個(gè)領(lǐng)域。 隨著倒立擺系統(tǒng)研究的不斷深入，倒立擺系統(tǒng)的種類也由簡(jiǎn)單的單級(jí)倒立擺發(fā)展為多種形式的倒立擺。如直線式倒立擺、環(huán)形倒立擺、平面倒立擺；倒立擺的級(jí)數(shù)可以是一級(jí)、二級(jí)、三級(jí)、四級(jí)乃至多級(jí)。常見(jiàn)的倒立擺系統(tǒng)一般由小車和擺桿兩部分構(gòu)成(另有旋轉(zhuǎn)式倒立擺等形式)。控制的目標(biāo)一般都是通過(guò)給小車施加一個(gè)水平方向的力，使小車在期望位置上穩(wěn)定，而擺桿達(dá)到豎直向上的動(dòng)態(tài)平衡狀態(tài)。由于新的控制方法不斷出現(xiàn)，人們?cè)噲D通過(guò)倒立擺這樣一個(gè)嚴(yán)格的控制對(duì)象，檢驗(yàn)新的控制方法是否有較強(qiáng)的處理多變量、非線性和絕對(duì)不穩(wěn)定性的能力。也就是說(shuō)，倒立擺統(tǒng)作為控制理論研究中的一種較為理想的實(shí)驗(yàn)手段通常有著用來(lái)檢驗(yàn)控制策略有效性的功能。 倒立擺系統(tǒng)的研究現(xiàn)狀鑒于倒立擺的穩(wěn)定控制研究的重要意義，國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)此給予了廣泛關(guān)注。國(guó)外在60年代就開(kāi)始了對(duì)一級(jí)倒立擺系統(tǒng)的研究，在60年代后期，作為一個(gè)典型的不穩(wěn)定、嚴(yán)重非線性例證提出了倒立擺的概念，并用其檢驗(yàn)控制方法對(duì)不穩(wěn)定、非線性和快速性系統(tǒng)的控制能力。 國(guó)外研究現(xiàn)狀國(guó)外對(duì)倒立擺系統(tǒng)的研究可以追朔到六十年代，1966年Schaefer和Cannon應(yīng)用 BangBang控制理論, 將一個(gè)曲軸穩(wěn)定于倒置位置。自從倒立擺系統(tǒng)[1]成為自動(dòng)控制領(lǐng)域控制實(shí)驗(yàn)室的實(shí)驗(yàn)和教學(xué)工具以來(lái)，人們對(duì)倒立擺控制的研究既有理論研究又有實(shí)驗(yàn)研究。通過(guò)計(jì)算機(jī)仿真的方法對(duì)控制理論和控制方法的進(jìn)行可行性研究；實(shí)驗(yàn)研究主要是解決仿真結(jié)果和實(shí)時(shí)控制之間性能差異的物理不確定性。早在1970年，Bryon和luenberger首次指出應(yīng)用觀測(cè)器重構(gòu)系統(tǒng)狀態(tài)，能實(shí)現(xiàn)倒立擺系統(tǒng)的穩(wěn)定控制。1985年