一级直线倒立摆的逆模型2自由度控制

论文摘要

倒立摆是一个典型的非线性、强耦合、多变量和自然不稳定的系统。对倒立摆的研究能有效的反映控制中的许多典型问题：诸如非线性问题、可镇定性、鲁棒性、随动性以及跟踪等许多控制中的关键问题。上述特点也使它成为人们深入学习、研究和证实各种控制理论的有效试验系统和比较基准。因其行为与火箭飞行以及两足机器人行走有很大的相似性，其控制方法在军工、航天、机器人和一般工业过程领域中都有着广泛的用途，如机器人行走过程中的平衡控制、火箭发射中的垂直度控制和卫星飞行中的姿态控制等，因而对它的研究有很大的理论和实践意义。在已有的一级直线倒立摆的模糊控制方案中，因直接对四个输入状态变量(θ，(?)，x，(?))控制有较大困难，故多数方案采用双闭环模糊控制的设计方法：将控制器的四个输入变量分成角度组(θ，(?))和位置组(x，(?))分别进行控制。本文工作基于一级直线倒立摆，从硬件实现的系统和仿真两个方面，一致地揭示了耦合干扰所带来的问题；并针对消除耦合干扰方法的研究仿真得到了消除耦合干扰的有效方法。这对消除系统建模误差的影响，提高控制系统的鲁棒稳定性有着直接现实的意义。本文以凌阳75F3213A单片机、只进行角度组的模糊控制实现了一级直线倒立摆：摆偏角稳定可控，然而出现了车、摆系统整体的稳态匀速平移问题。反映了倒立摆的位置耦合因素对角度控制的等效干扰影响。因为基本模糊控制器与PD控制的相似性，本文又以角度PD控制来模拟模糊控制方式，仿真复现了摆的系统稳态匀速平移问题；并仿真得到了抑制该干扰的有效方法(积分调节、加入扰动、设置死区、及其复合控制)，即以稳态逆模型的2自由度控制有效抑制了该耦合干扰，该控制方案有较强的抗干扰能力。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 目录
• 综述
• 1 PID控制原理和特点
• 1.1 PID控制原理和特点
• 1.1.1 比例控制
• 1.1.2 积分控制
• 1.1.3 微分控制
• 1.1.4 比例-积分-微分控制
• 1.2 数字PID控制及控制参数的整定
• 1.2.1 位置式PID
• 1.2.2 增量式PID
• 1.2.3 控制参数的整定:
• 1.3 先进PID控制
• 1.3.1 积分分离PID控制算法
• 1.3.2 抗积分饱和PID控制算法
• 1.3.3 带死区的PID
• 1.3.4 2自由度PID控制
• 1.3.5 基于前馈补偿的PID控制算法
• 1.3.6 LQR最优控制
• 1.3.7 内模型控制
• 2 模糊控制概论
• 2.1 模糊控制理论的逼近理论
• 2.2 模糊控制系统的组成及特点
• 2.3 模糊控制器的类型、原理、设计、品质分析
• 2.3.1 模糊控制器的维数、类型
• 2.3.2 模糊控制器的基本原理
• 2.3.3 基本模糊控制器的设计
• 2.3.4 基本模糊控制品质及其分析
• 2.4 复合模糊控制
• 2.4.1 基于规则修改的模糊控制
• 2.4.2 从模糊控制与常规PD控制的类比相似性到加进积分模糊控制
• 2.5 变结构模糊控制
• 2.5.1 具有滑动模的变结构系统的特点
• 2.5.2 几种变结构模糊控制器
• 3 一级直线倒立摆（角度组）模糊控制设计与实现
• 3.1 一级直线倒立摆的数学模型
• 3.2 伺服系统
• 3.2.1 伺服系统的分类
• 3.2.2 反馈控制系统的组成、目的、特征
• 3.3 倒立摆的单片机伺服系统
• 3.3.1 用SPMC75F2313A单片机组成的伺服系统
• 3.3.2 增量编码器与倒立摆角度和角速度的测量
• 3.3.3 程序流程图
• 3.3.4 直流脉宽调制（PWM）
• 3.3.5 倒立摆模糊控制器的设计
• 4 一级直线倒立摆的逆模型2自由度控制设计与仿真研究
• 4.1 逆模型2自由度控制设计
• 4.2 仿真研究与分析
• 4.2.1 只采用角度PD控制
• 4.2.2 角度PD控制器输出中加入角度误差积分项
• 0相关'>4.2.3 小车位置稳态偏移速度与角初值θ₀相关
• 4.2.4 车位置稳态偏移速率还与角度PD控制的系数有关
• PI控制'>4.2.5 逆模型2自由度PD_PI控制
• 扰动控制'>4.2.6 逆模型2自由度PD_扰动控制
• 死区控制'>4.2.7 逆模型2自由度PD_死区控制
• PI_死区控制'>4.2.8 逆模型2自由度PD_PI_死区控制
• 5 结论
• 6 展望
• 7 参考文献
• 鸣谢