畢業(yè)論文：倒立擺系統(tǒng)的PID控制器設計

大學本科畢業(yè)論文(設計)開題報告
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畢業(yè)論文：倒立擺系統(tǒng)的PID控制器設計

1、本課題的的研究目的和意義：
本次畢業(yè)設計的目的是在基于MATLAB的一階倒立擺PID控制上，針對具體的模型進行數(shù)學建模，運用經(jīng)典控制理論設計控制器，并進行MATLAB的編程仿真分析，通過本次設計建立理論與實際相結(jié)合，加強和鞏固控制理論知識，增強實踐動手能力。為以后的工作和學習做好知識儲備和實踐經(jīng)驗
在穩(wěn)定性控制問題上，倒立擺既具有普遍性又具有典型性。倒立擺系統(tǒng)作為一種控制裝置，它結(jié)構(gòu)簡單、價格低廉、便于模擬和實現(xiàn)多種不同的控制方法。作為一個被控對象，它是一個高階次、不穩(wěn)定、多變量、非線性、強禍合的快速系統(tǒng)，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
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圣彼得堡大學、美國的東佛羅里達大學、俄羅斯科學院、波蘭的波茲南技術大學、意大利的佛羅倫薩大學也都對這個領域有持續(xù)的研究。近年來, 雖然各種新型倒立擺不斷問世, 但是可自主研發(fā)并生產(chǎn)倒立擺裝置的廠家卻并不多。目前, 國內(nèi)各高校基本上都采用香港固高公司和加拿大Quanser公司生產(chǎn)的系統(tǒng); 其它一些生產(chǎn)廠家還包括(韓國)奧格斯科技發(fā)展有限公司( FT24820 型倒立擺) 、保定航空技術實業(yè)有限公司; 最近, 鄭州微納科技有限公司的微納科技直線電機倒立擺的研制取得了成功

3、 本課題的主要研究內(nèi)容（提綱）和成果形式：
1． 參照上例的處理方法，把實際系統(tǒng)參數(shù)代入，進行PID控制仿真，并找到合適的參數(shù)；
2． 將小車推到導軌正中間位置，并且使擺桿處于_下垂的靜止狀態(tài)；
3． 給計算機和電控箱通電；
4． 打開計算機，在DOS操作系統(tǒng)下，鍵入“Pend” 啟動程序，并按“s”使系統(tǒng)處于準備狀態(tài)；
5． 按 “↑”鍵起擺，等擺桿立起來并穩(wěn)定下來之后（此時為LQR控制），選擇”控制器”菜單中的“PID”，輸入?yún)?shù)，觀察小車和擺桿的運動；（注意由于控制器只對擺桿進行了控制，所以在PID中輸入?yún)?shù)后小車可能向一個方向運動，此時需用手輕輕扶一下擺桿）
6． 按“T”停止擺桿，當擺桿處于_下垂的靜止狀態(tài)，并在”控制器”菜單中選擇“PID”，并參照仿真結(jié)果，輸入PID控制器參數(shù), 觀察小車和擺桿的運動；（通過調(diào)整參數(shù)可以控制擺桿擺起并能夠豎直向上，此時可能需用手輕輕扶一下擺桿，以避免小車“撞墻”）。
7． 如果控制效果不理想，調(diào)整控制器參數(shù)，直到獲得較好的控制效果；
8． 運動曲線文件保存在當前路徑下，其中pos_*.dat為小車位置，pos_t.dat為擺桿角度，con_u.dat為控制量；
9． 到MatLab中運行如下指令，MatLab會將保存的曲線重新繪制出來。
S=load(‘路徑\文件名’)
plot(S)
為了使桿子擺動或者達到豎直向上的穩(wěn)定，需要給小車一個控制力，使其在軌道上被往前或朝后拉動。常規(guī)PID 控制
該方法是最早發(fā)展起來的一種控制方法, 由于其算法簡單、魯棒性好、速度快、可靠性高, 至今仍廣泛應用于工業(yè)過程控制中。其控制規(guī)律為:

該方法雖然可以實現(xiàn)對倒立擺的控制, 但由于其線性本質(zhì), 對于一個非線性、絕對不穩(wěn)定的系統(tǒng), 不能達到滿意的控制效果, 振蕩比較厲害。若結(jié)合其它控制算法使用, 可發(fā)揮取長補短的作用。
成果形式：以論文為輔助，并利用MATLAB工具聯(lián)系事物進行現(xiàn)場操作,從而達到穩(wěn)定的控制結(jié)果
4、擬解決的關鍵問題：
1.以用設計指示書中推導的模型及任務書中的實際參數(shù)，建立小車倒立擺的實際數(shù)學模型。
2.進行開環(huán)系統(tǒng)的時域分析。
3.利用跟軌跡法設計控制器，進行閉環(huán)系統(tǒng)的仿真分析
4.利用頻域法設計控制器，進行閉環(huán)系統(tǒng)的仿真分析
5.設計PID控制器，進行閉環(huán)系統(tǒng)的仿真分析
6.完成畢業(yè)設計報告
5、研究思路、方法和步驟：
PID 控制是最早發(fā)展起來的一種控制方法, 至今仍廣泛應用于工業(yè)過程控制中。(1) 比例調(diào)節(jié)（P）比例系數(shù)Kp 的大小決定了比例調(diào)節(jié)器調(diào)節(jié)的快慢程度。但Kp 過大會使控制系統(tǒng)出現(xiàn)超調(diào)或振蕩現(xiàn)象，Kp 過小又起不到調(diào)節(jié)作用。比例控制無法消除余差。(2) 積分調(diào)節(jié)（I）積分作用可消除余差。積分常數(shù)Ti 的大小決定了積分作用強弱程度。積分作用通常使系統(tǒng)的穩(wěn)定性下降。因此 ……（未完，全文共3716字，當前僅顯示1877字，請閱讀下面提示信息。收藏《畢業(yè)論文：倒立擺系統(tǒng)的PID控制器設計》）