基于滑模观测器的环形倒立摆控制系统的设计与实现

论文摘要

倒立摆作为典型的快速、多变量、非线性、绝对不稳定系统,一直是控制理论与应用的热点问题,不但是验证现代控制理论方法的典型实验装置,许多抽象的控制理论概念如控制系统的稳定性、可控性、系统收敛速度和系统抗干扰能力等,都可以通过倒立摆系统直观的表现出来,而且其控制方法和思路在一般工业过程亦有广泛的用途,从中发掘出的新的控制方法及理论,不仅能应用于电力电子领域,还将应用于航天科技和机器人学等各种高新科技领域。因此倒立摆系统的研究具有重要的理论研究和实际应用价值。论文的主要研究工作与结论如下:在深入阅读文献的基础上,总结了倒立摆系统控制的研究发展过程和现状以及该课题的研究意义。利用拉格朗日法建立了环形倒立摆系统的状态方程,并对其进行了能控性能观性分析,证明倒立摆系统是能控能观的。针对倒立摆系统的控制问题,提出了极点配置法和线性二次最优控制方法,实现了对环形倒立摆的仿真控制研究。针对倒立摆系统中角速度变量不能直接测量的问题,提出了滑模观测器设计方法。利用滑模观测器克服未知输入扰动对控制系统的影响,设计滑模观测器观测系统未知状态变量,既实现了对状态变量有效地观测,又简化了系统硬件设备。结合倒立摆实际系统的分析设计,利用Matlab/Simulink控制软件平台进行了环形倒立摆系统的实时控制研究。实验结果证明:所设计的极点配置和LQR控制器可以实现环形倒立摆系统的稳定控制,滑模观测器能实现对未知状态变量的观测,证明了所提控制方法的有效性,及较好的学术价值。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 课题研究背景及意义
• 1.1.1 研究背景
• 1.1.2 研究目的及意义
• 1.2 国内外研究现状及发展前景
• 1.2.1 国内外研究现状
• 1.2.2 倒立摆研究发展方向与前景
• 1.3 本文的主要内容
• 第二章 环形一级倒立摆系统的建模及性能分析
• 2.1 引言
• 2.2 微分方程推导与状态空间方程
• 2.3 系统模型性能分析
• 2.3.1 系统稳定性、可控性和可观性判定
• 2.3.2 基于状态方程的系统定性分析
• 2.4 小结
• 第三章 环形倒立摆系统控制器的设计与实现
• 3.1 引言
• 3.2 一级环形倒立摆系统的极点配置控制器设计
• 3.2.1 极点配置原理
• 3.2.2 极点配置控制器的设计
• 3.2.3 极点配置控制器仿真研究与实现
• 3.3 一级环形倒立摆系统的LQR 控制器设计
• 3.3.1 线性二次最优LQR 控制原理
• 3.3.2 LQR 控制器设计
• 3.3.3 LQR 控制器仿真研究与实现
• 3.4 小结
• 第四章 环形倒立摆系统滑模观测器的设计
• 4.1 引言
• 4.2 状态观测器理论
• 4.2.1 滑模状态观测器的研究
• 4.3 变结构控制理论和滑模观测器的设计
• 4.3.1 滑模变结构控制的定义
• 4.3.2 滑模变结构观测器的设计
• 4.4 针对倒立摆的滑模观测器的设计
• 4.5 滑模观测器仿真研究
• 4.6 小结
• 第五章 基于滑模观测器的环形倒立摆控制系统实现
• 5.1 引言
• 5.2 环形倒立摆硬件系统组成
• 5.2.1 伺服电机
• 5.2.2 编码器
• 5.2.3 运动控制卡
• 5.2.4 运动控制卡控制模式
• 5.2.5 数字伺服滤波
• 5.3 环形倒立摆软件系统设计与实现
• 5.3.1 半实物仿真简介
• 5.3.2 Real-Time Workshop
• 5.3.3 倒立摆软件系统设计与实现
• 5.4 系统实时控制的程序实现
• 5.4.1 系统极点控制实时控制的程序实现
• 5.4.2 系统LQR 实时控制及观测器的程序实现
• 5.5 实验结果及分析
• 5.6 本章小结
• 第六章 总结与展望
• 6.1 结论
• 6.2 下一步工作展望
• 参考文献
• 攻读学位期间主要的研究成果及参与的科研项目
• 致谢