基于倒立擺的三種控制策略的研究.pdf

1、倒立擺是典型的多變量、非線性、強(qiáng)耦合的自然不穩(wěn)定系統(tǒng)。在對(duì)倒立擺的控制過程中能反映控制理論中的許多關(guān)鍵問題，如鎮(zhèn)定問題、非線性問題、魯棒性問題以及跟蹤問題等，所以倒立擺被廣泛的用來驗(yàn)證各種控制理論和控制方法的有效性。對(duì)倒立擺系統(tǒng)的研究在理論上和工程應(yīng)用上具有著深遠(yuǎn)的意義，相關(guān)的科研成果已經(jīng)應(yīng)用到航天科技和機(jī)器人學(xué)等諸多領(lǐng)域。 本文首先利用牛頓力學(xué)分析的方法建立了直線一級(jí)倒立擺實(shí)物系統(tǒng)的線性狀態(tài)方程，并在此基礎(chǔ)上分析了該系統(tǒng)是不穩(wěn)

2、定的，同時(shí)又是能控的和能觀的。然后詳細(xì)的介紹了直線一級(jí)倒立擺實(shí)物系統(tǒng)的硬件和軟件構(gòu)成，重點(diǎn)闡述了基于MATLAB/Simulink實(shí)時(shí)工具箱RTW(Real-Time Workshop)的實(shí)控軟件的使用方法。 本文主要研究了倒立擺系統(tǒng)的PID控制算法、線性二次最優(yōu)控制算法和極點(diǎn)配置法，并設(shè)計(jì)出了這三種算法的控制器，同時(shí)利用MATLAB/Simulink仿真分析了這三種算法的優(yōu)缺點(diǎn)。在PID控制器的設(shè)計(jì)中，本文提出了一種基于MAT

3、LAB/Sumlink的參數(shù)整定方法，較好和較快的整定了PID的控制參數(shù)，并利用MATLAB/Sumlink仿真實(shí)驗(yàn)看出傳統(tǒng)的PID算法只能較好的控制擺桿的角度這一個(gè)輸出量，而對(duì)另一個(gè)輸出量--小車的位移卻不能有效的控制，因此傳統(tǒng)的PID控制對(duì)直線一級(jí)倒立擺這樣的單輸入兩輸出系統(tǒng)是無法實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定控制的。在L,QR最優(yōu)控制器的設(shè)計(jì)中，我們通過不斷的MAT[AB仿真實(shí)驗(yàn)總結(jié)出了性能矩陣O選擇的一般原則，為LQR算法的實(shí)際應(yīng)用給出了一定的理論指

4、導(dǎo)，同時(shí)通過MATLAB仿真，得出LOR算法是能較好的控制倒立擺系統(tǒng)，并具有較好的穩(wěn)態(tài)效果。在極點(diǎn)配置法控制器的設(shè)計(jì)中，我們同樣通過MATLAB仿真驗(yàn)證了其對(duì)倒立擺系統(tǒng)具有較好的控制效果。同時(shí)將極點(diǎn)配置法和LQR法進(jìn)行了MATLAB仿真比較，得出極點(diǎn)配置法的響應(yīng)時(shí)間較快，魯棒性和動(dòng)態(tài)性較好，而LQR算法具有較小的超調(diào)量和較好的穩(wěn)態(tài)效果。最后指出極點(diǎn)配置法適合應(yīng)用到要求快速響應(yīng)的控制系統(tǒng)中，而LQR法適合應(yīng)用到對(duì)穩(wěn)態(tài)性能要求較高的控制系統(tǒng)