二级直线倒立摆系统建模仿真与实物控制_精品文档.pdf

1、多妻未交专业硕士学位论文二级直线倒立摆系统建模、仿真与实物控制M o d e l i n g，S i m u l a t i o na n dC o n t r o lo fD o u b l eL i n kI n v e r t e dP e n d u l u m作者：杜洋导师：尹逊和北京交通大学2 0 1 3 年7 月学位论文版权使用授权书I I I I I I I I I I I I I II I I I I I I I I IIIIIII HI l UlllY 2 4 2 8 7 2 7本学位论文作者完全了解北京交通大学有关保留、使用学位论文的规定。特授权北京交通大学可以将学位论文

2、的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，提供阅览服务，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。(保密的学位论文在解密后适用本授权说明)学位论文作者签名：签字日期：劢f 乡年7导师签名：签字日期。沙J i，年月阳蟛千、日弛胁中图分类号：T P 2 9U D C：学校代码：1 0 0 0 4密级：公开北京交通大学专业硕士学位论文二级直线倒立摆系统建模、仿真与实物控制M o d e l i n g，S i m u l a t i o na n dC o n t r o lo fD o u b l eL i n kI n v e r

3、 t e dP e n d u l u m作者姓名：杜洋导师姓名：尹逊和工程领域：控制工程学号：1 1 1 2 5 0 6 4职称：教授学位级别：硕士北京交通大学2 0 1 3 年7 月致谢本论文的工作是在我的导师尹逊和教授和董春副教授的悉心指导下完成的，尹老师和董老师严谨的治学态度、科学的工作方法以及积极的生活态度都给了我极大的帮助和影响。在论文即将完成之际，衷心感谢两年来尹老师和董老师对我的关心和指导。尹老师和董老师悉心指导我完成了实验室的科研工作，在学习上和生活上都给予了我很大的关心和帮助，特别是在兼顾论文研究与求职期间，两位老师给予了我很多鼓励与支持，在此向尹老师和董老师表示衷心的谢意

4、。感谢师兄赵顺利、郭嘉一，师姐白霞在学术讨论以及论文研究中对我的启发，感谢实验室的同学王蛲、刘蓝、高童欣、林亚芹、何丽芸等同学在平时生活及论文撰写期间对我的帮助，感谢自控研1 1 0 3 班的全体同学在学习与生活上对我的关心。更要感谢我的父母，他们的理解和支持使我能够在学校专心完成我的学业，他们的关心总给我无限的动力。另外，本文得到了国家自然科学基金(N o 6 1 1 7 2 0 2 2)的资助，在此表示感谢!中文摘要摘要：倒立摆是一种典型的非线性、强耦合性的多变量欠驱动系统，其控制方法的研究一直是控制领域的热点以及难点问题。由于倒立摆是许多工程控制问题的抽象模型，其控制方法可以在实际控制系

5、统中推广，如两轮自平衡车、双足机器人等等，因此，倒立摆控制方法的研究具有重要的实际应用意义。本论文搭建了直线倒立摆实验平台，并对其模型建立、控制算法设计以及实时环境下的实物控制问题进行了相关的研究，使用线性二次最优控制及滑模变结构控制算法实现了倒立摆的实物控制。本论文主要工作有以下几个方面：1 论文总结了倒立摆控制方法的研究现状，主要包括平衡控制及自摆起控制，分析了这两个领域内研究的重点内容；搭建了倒立摆实物平台，设计了系统架构，并重点研究了运动控制器的组成及在整体控制系统中的重要作用。2 使用第二类拉格朗日方程建立了倒立摆的模型，并对该非线性模型在平衡点附近进行线性化处理，分析了系统的特性。

6、接着，使用了线性二次最优控制算法及基于趋近律的滑模变结构控制算法实现倒立摆的平衡控制，通过仿真实验分析了算法中参数的优化方法。3 利用上述两种控制方法，在M A T L A B S i m u l i n k 实时环境中编写控制程序，上位机通过运动控制器获取当前系统状态信息并更新控制律，实现对倒立摆的实时实物控制，验证了设计的倒立摆系统架构的合理性，并且指出了研究中存在的不足，为后续工作的开展奠定了基础。关键词：直线倒立摆；运动控制系统；线性二次最优控制；滑模控制；M A T L A B S i m u l i n k分类号：T P 2 7 3j E 立交道太堂童些亟堂焦论塞旦墨!IA BS

7、T R A C TA B S T R A C T：A sat y p i c a lm u l t i v a r i a b l eu n d e r-a c t u a t e ds y s t e mo fh i g l ln o n l i n e a r i t ya n ds t r o n g-c o u p l i n g，i n v e r t e dp e n d u l u mh a sa l w a y sb e e nac h a l l e n g ef o rm o d e mc o n t r o lt h e o r i e s S i n c ei n v

8、e r t e dp e n d u l u mi sam o d e la b s t r a c t e df r o mn u m e r o u se n g i n e e r i n gc o n t r o lp r o b l e m ss u c ha st w o-w h e e ls e l f-b a l a n c i n gv e h i c l ea n db i p e dr o b o tt h ec o n t r o l l i n gm e t h o d so fi n v e r t e dp e n d u l u mh a v es i g n

9、i f i c a n tr e a l i s t i cm e a n i n gi nt h ee n g i n e e r i n gf i e l di nt h a ti tC a nb eg e n e r a l i z e di np r a c t i c a lc o n t r o l l i n gs y s t e m s B a s e do nt h el i n e a ri n v e r t e dp e n d u l u m，m o d e l i n g，s i m u l a t i o na n dr e a lt a r g e tc o n

10、 t r o lu n d e rr e a lt i m ew o r k s h o pa r es t u d i e di nt h i st h e s i s B a l a n c ec o n t r o lo ft h ei n v e r t e dp e n d u l u mi si m p l e m e n t e db ya p p l y i n gal i n e a rq u a d r a t i co p t i m a lc o n t r o l l e ra n das l i d i n gm o d ec o n t r o l l e r T

11、 h em a i nw o r ko ft h er e s e a r c hi Sa sf o l l o w s：1 A l t e rc o n c i s e l yr e v i e w i n gt h es t a t u sq u oo fr e l e v a n tr e s e a r c ho nt h ei n v e r t e dp e n d u l u ms y s t e ma n dm o t i o nc o n t r o ls y s t e m，t h ea r c h i t e c t u r eo fh a r d w a r es y

12、s t e mi sd e s i g n e d；t h ec o m p o n e n t so ft h em o t i o nc o n t r o l l e ra n dt h ei r r e p l a c e a b l er o l ei tp l a y si no v e r a l ls y s t e ma r ei n t r o d u c e di nd e t a i l 2 L a g r a n g ee q u a t i o ni si n t r o d u c e di nt h em o d e l i n go ft h ei n v e

13、 r t e dp e n d u l u m，a n dt h ep r o p e r t i e so ft h es y s t e ma r ea n a l y z e da f t e rt h em o d e ll i n e a r i z a t i o n Ac o n t r o l l e ri sd e s i g n e dt om a i n t a i nt h eb a l a n c i n go ft h ei n v e r t e dp e n d u l u ma r o u n dt h ee q u i l i b r i u mp o i

14、n t，e m p l o y i n gt h el i n e a rq u a d r a t i co p t i m a lm e t h o da n dt h es l i d i n gm o d em e t h o db a s e do nr e a c h i n gl a w，n l eo p t i m i z a t i o ns e l e c t i o no ft h ep a r a m e t e r si nL Q Ra n dS M Ci sm a d et h r o u g ht h es i m u l a t i o no fM A T L

15、A B 3 B a s e do nt h em e t h o d sm e n t i o n e da b o v e，ar e a lt a r g e tc o n t r o ls y s t e mi ss e tu pu s i n gM L A Br e a lt i m ew o r k s h o pa n dt h em o t i o nc o n t r o l l e r T h eh o s tc o m p u t e ro b t a i n st h ep r e s e n ts t a t ei n f o r m a t i o nf r o mt

16、h em o t i o nc o n t r o l l e ra n du p d a t e st h ec o n t r o ls i g n a lt oc o n t r o lt h ei n v e r t e dp e n d u l u mi nr e a lt i m e T h ee x p e r i m e n t a lr e s u l ts h o w st h er a t i o n a l i t yo ft h ed e s i g n e di n v e r t e dp e n d u l u ms y s t e m Sa r c h i t e c t u r e F i n a l l y,t h el i m i t a t i o n so ft h es t u d ya r ep o i n t e do u tf o rt h ei m p l i c a t i o na n ds u g g e s t i o n sf o rf u r t h e rs t u d y K E Y W O R D S：L i n