毕业论文：倒立摆系统的PID控制器设计

大学本科毕业论文(设计)开题报告
学院：信息科学与工程　　　　　　　　　　　　　专业班级：　08级自动化　

毕业论文：倒立摆系统的PID控制器设计

1、本课题的的研究目的和意义：
本次毕业设计的目的是在基于MATLAB的一阶倒立摆PID控制上，针对具体的模型进行数学建模，运用经典控制理论设计控制器，并进行MATLAB的编程仿真分析，通过本次设计建立理论与实际相结合，加强和巩固控制理论知识，增强实践动手能力。为以后的工作和学习做好知识储备和实践经验
在稳定性控制问题上，倒立摆既具有普遍性又具有典型性。倒立摆系统作为一种控制装置，它结构简单、价格低廉、便于模拟和实现多种不同的控制方法。作为一个被控对象，它是一个高阶次、不稳定、多变量、非线性、强祸合的快速系统，对倒立摆系统的研究能有效的反映控制中的许多典型问题：如非线性问题、鲁棒性问题、镇定问题、随动问题以及跟踪问题等。通过对倒立摆的控制，用来检验新的控制方法是否有较强的
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圣彼得堡大学、美国的东佛罗里达大学、俄罗斯科学院、波兰的波兹南技术大学、意大利的佛罗伦萨大学也都对这个领域有持续的研究。近年来, 虽然各种新型倒立摆不断问世, 但是可自主研发并生产倒立摆装置的厂家却并不多。目前, 国内各高校基本上都采用香港固高公司和加拿大Quanser公司生产的系统; 其它一些生产厂家还包括(韩国)奥格斯科技发展有限公司( FT24820 型倒立摆) 、保定航空技术实业有限公司; 最近, 郑州微纳科技有限公司的微纳科技直线电机倒立摆的研制取得了成功

3、 本课题的主要研究内容（提纲）和成果形式：
1． 参照上例的处理方法，把实际系统参数代入，进行PID控制仿真，并找到合适的参数；
2． 将小车推到导轨正中间位置，并且使摆杆处于_下垂的静止状态；
3． 给计算机和电控箱通电；
4． 打开计算机，在DOS操作系统下，键入“Pend” 启动程序，并按“s”使系统处于准备状态；
5． 按 “↑”键起摆，等摆杆立起来并稳定下来之后（此时为LQR控制），选择”控制器”菜单中的“PID”，输入参数，观察小车和摆杆的运动；（注意由于控制器只对摆杆进行了控制，所以在PID中输入参数后小车可能向一个方向运动，此时需用手轻轻扶一下摆杆）
6． 按“T”停止摆杆，当摆杆处于_下垂的静止状态，并在”控制器”菜单中选择“PID”，并参照仿真结果，输入PID控制器参数, 观察小车和摆杆的运动；（通过调整参数可以控制摆杆摆起并能够竖直向上，此时可能需用手轻轻扶一下摆杆，以避免小车“撞墙”）。
7． 如果控制效果不理想，调整控制器参数，直到获得较好的控制效果；
8． 运动曲线文件保存在当前路径下，其中pos_*.dat为小车位置，pos_t.dat为摆杆角度，con_u.dat为控制量；
9． 到MatLab中运行如下指令，MatLab会将保存的曲线重新绘制出来。
S=load(‘路径\文件名’)
plot(S)
为了使杆子摆动或者达到竖直向上的稳定，需要给小车一个控制力，使其在轨道上被往前或朝后拉动。常规PID 控制
该方法是最早发展起来的一种控制方法, 由于其算法简单、鲁棒性好、速度快、可靠性高, 至今仍广泛应用于工业过程控制中。其控制规律为:

该方法虽然可以实现对倒立摆的控制, 但由于其线性本质, 对于一个非线性、绝对不稳定的系统, 不能达到满意的控制效果, 振荡比较厉害。若结合其它控制算法使用, 可发挥取长补短的作用。
成果形式：以论文为辅助，并利用MATLAB工具联系事物进行现场操作,从而达到稳定的控制结果
4、拟解决的关键问题：
1.以用设计指示书中推导的模型及任务书中的实际参数，建立小车倒立摆的实际数学模型。
2.进行开环系统的时域分析。
3.利用跟轨迹法设计控制器，进行闭环系统的仿真分析
4.利用频域法设计控制器，进行闭环系统的仿真分析
5.设计PID控制器，进行闭环系统的仿真分析
6.完成毕业设计报告
5、研究思路、方法和步骤：
PID 控制是最早发展起来的一种控制方法, 至今仍广泛应用于工业过程控制中。(1) 比例调节（P）比例系数Kp 的大小决定了比例调节器调节的快慢程度。但Kp 过大会使控制系统出现超调或振荡现象，Kp 过小又起不到调节作用。比例控制无法消除余差。(2) 积分调节（I）积分作用可消除余差。积分常数Ti 的大小决定了积分作用强弱程度。积分作用通常使系统的稳定性下降。因此 ……（未完，全文共3716字，当前仅显示1877字，请阅读下面提示信息。收藏《毕业论文：倒立摆系统的PID控制器设计》）