倒立摆系统建模

内蒙古科技大学课程设计说明书

内蒙古科技大学 本科生课程设计论文

题 目：直线一级倒立摆系统建模

仿真实验

学生姓名：赵永明 学 号：1067112225 专 业：测控技术与仪器 班 级：10-2班 指导教师：梁丽

2013年 12 月 5 日

内蒙古科技大学课程设计说明书

摘 要

本文主要研究的是一级倒立摆的PID控制问题，并对其PID的参数进行了优化，优化算法是遗传算法。倒立摆是典型的快速、多变量、非线性、强耦合、自然不稳定系统。由于在实际中有很多这样的系统，因此对它的研究在理论上和方法论上均有深远的意义。本文首先简单的介绍了一下倒立摆以及倒立摆的控制方法，并对其参数优化算法做了分类介绍。然后，介绍了本文选用的优化参数的算法遗传算法的基本理论和操作方法。接着建立了一级倒立摆的数学模型，并求出其状态空间描述。本文着重讲述的是利用遗传算法来对PID的参数进行优化的实现方法。最后，用Simulink对系统进行了仿真，得出遗传算法在实际控制中是一种较为理想的PID参数优化方法的结论。

关键词：PID控制器；一级倒立摆；仿真

内蒙古科技大学课程设计说明书

目录

摘要 ............................

内蒙古科技大学课程设计说明书

内蒙古科技大学 本科生课程设计论文

题 目：直线一级倒立摆系统建模

仿真实验

学生姓名：赵永明 学 号：1067112225 专 业：测控技术与仪器 班 级：10-2班 指导教师：梁丽

2013年 12 月 5 日

内蒙古科技大学课程设计说明书

摘 要

本文主要研究的是一级倒立摆的PID控制问题，并对其PID的参数进行了优化，优化算法是遗传算法。倒立摆是典型的快速、多变量、非线性、强耦合、自然不稳定系统。由于在实际中有很多这样的系统，因此对它的研究在理论上和方法论上均有深远的意义。本文首先简单的介绍了一下倒立摆以及倒立摆的控制方法，并对其参数优化算法做了分类介绍。然后，介绍了本文选用的优化参数的算法遗传算法的基本理论和操作方法。接着建立了一级倒立摆的数学模型，并求出其状态空间描述。本文着重讲述的是利用遗传算法来对PID的参数进行优化的实现方法。最后，用Simulink对系统进行了仿真，得出遗传算法在实际控制中是一种较为理想的PID参数优化方法的结论。

关键词：PID控制器；一级倒立摆；仿真

内蒙古科技大学课程设计说明书

目录

摘要 ............................

线控大作业

如图所示的倒立摆系统。图中，倒立摆安装在一个小车上。这里仅考虑倒立摆在图面内运动的二维问题。

图 倒立摆系统

假定倒立摆系统的参数如下。

摆杆的质量：m=0.1g 摆杆的长度：2l=1m 小车的质量：M=1kg 重力加速度：g=10/s2 摆杆惯量：I=0.003kgm2 摆杆的质量在摆杆的中心。

设计一个控制系统，使得当给定任意初始条件(由干扰引起)时，最大超调量

? %≤10%，

调节时间ts ≤4s ，使摆返回至垂直位置，并使小车返回至参考位置(x=0)。

要求：1、建立倒立摆系统的状态方程

2、定量分析,定性分析系统的性能指标——能控性、能观性、稳定性 3、极点配置

设计分析报告

1 系统建模

在忽略了空气阻力和各种摩擦之后，可将直线一级倒立摆系统抽象成小车和匀质杆组成的系统。如下如所示。

图 一级倒立摆模型

其中：

φ 摆杆与垂直向上方向的夹角

θ 摆杆与垂直向下方向的夹角（考虑到摆杆初始位置为竖直向下） 图是系统中小车和摆杆的受力分析图。其中，N和P为小车与摆杆相互作用力的水平和垂直方向的分量。

注意：在实际倒立摆系统中检测和执行装置的正负方向

Matlab程序设计

上交作业要求：

1）纸质文档：设计分析报告一份（包括系统建模、系统分析、系统设计思路、程序

及其执行结果）。

2）Matlab程序：按班级统一上交后备查。

题目一：

考虑如图所示的倒立摆系统。图中，倒立摆安装在一个小车上。这里仅考虑倒立摆在图面内运动的二维问题。

图 倒立摆系统

假定倒立摆系统的参数如下。

摆杆的质量：m=0.1g 摆杆的长度：2l=1m 小车的质量：M=1kg 重力加速度：g=10/s2 摆杆惯量：I=0.003kgm2 摆杆的质量在摆杆的中心。

设计一个控制系统，使得当给定任意初始条件(由干扰引起)时，最大超调量? %≤10%，

调节时间ts ≤4s ，使摆返回至垂直位置，并使小车返回至参考位置(x=0)。

要求：1、建立倒立摆系统的数学模型

2、分析系统的性能指标——能控性、能观性、稳定性

3、设计状态反馈阵，使闭环极点能够达到期望的极点，这里所说的期望的极点确定是把系统设计成具有两个主导极点，两个非主导极点，这样就可以用二阶系统的分析方法进行参数的确定

4、用MATLAB 进行程序设计，得到设计后系统的脉冲响应、阶跃响应，绘出相应状态变量的时间响应图。

题目二：

根据自身的课题情况，任意选择

西南科技大学

自动化专业方向设计报告

设计名称：直线二级倒立摆的建模和镇定控制

姓名：

学号:

班级：

指导教师：

起止日期：

方向设计任务书

学生班级：学生姓名：学号：

设计名称：

起止日期：指导教师：

方向设计学生日志

直线二级倒立摆的建模与镇定控制

摘要（150-250字）

倒立摆是一个典型的多变量、非线性、强耦合、欠驱动的自然不稳定系统，对倒立摆系统的控制研究，能反映控制过程中的镇定、非线性和随动等问题，因此常用于各种控制算法的研究。而且对倒立摆系统的研究还有重要的工程背景，对机器人行走、火箭的姿态调整等都有重要的现实意义。

本文以直线二级倒立摆系统为模型，阐释了直线二级倒立摆的建模方法和镇定控制算法。其次介绍了直线二级倒立摆系统的结构和参数，应用拉格朗日方程建模方法详细推导了二级倒立摆的数学模型，并对系统的性能进行分析。接下来，本文重点研究了最优控制算法在直线二级倒立摆镇定控制中的应用；在介绍倒立摆系统的最优控制算法的基础上，设计了系统的最优控制器，分析得出控制参数的选择规律；并且在Simulink上完成仿真实验,观察控制系统性能。

关键词：倒立摆；建模；LQR；镇定控制

Modeling and Balance Control of the Linear Doubl

. .

页脚控制工程与仿真课程设计报告

报告题目直线一级倒立摆建模、分析及控制器的设计

组员1专业、班级 14自动化1 班朱永远学号 1405031009

组员1专业、班级 14自动化1 班王宪孺学号 1405031011 组员1专业、班级 14自动化1 班金红学号 1405031013

报告评分标准

. .

直线一级倒立摆建模、分析及控制器的设计

一状态空间模型的建立

1.1直线一级倒立摆的数学模型

图1.1 直线一级倒立摆系统

本文中倒立摆系统描述中涉及的符号、物理意义及相关数值如表1.1所示。页脚

. .

页脚

图1.2是系统中小车的受力分析图。其中，N 和P 为小车与摆杆相互作用力的水平和垂直方向的分量。

图1.2 系统中小车的受力分析图

图1.3是系统中摆杆的受力分析图。F s 是摆杆受到的水平方向的干扰力, F h 是摆杆受

到的垂直方向的干扰力，合力是垂直方向夹角为α的干扰力F g 。

. .

页脚 图1.3 摆杆受力分析图

分析小车水平方向所受的合力，可以得到以下方程：

()11-

设摆杆受到与垂直方向夹角为α 的干扰力Fg ，可分解为水平方向、垂直方向的干扰力，所产生的力矩可以等效为在摆杆顶端的水平干扰力FS 、垂直

武汉理工大学《自动控制原理》课程设计说明书

学 号： 0121011350309

课 程 设 计

题 目 单级移动倒立摆建模及串联PID校正 学 院 班 级 姓 名 指导教师

自动化学院 电气1003班

xxx 刘志立

2013 年 1 月 16 日

1

武汉理工大学《自动控制原理》课程设计说明书

课程设计任务书

学生姓名： xxx 专业班级： 电气1003班 指导教师： 刘志立 工作单位： 自动化学院

题 目: 单级移动倒立摆建模及串联PID校正 初始条件：

图示为一个倒立摆装置，该装置包含一个小车和一个安装在小车上的倒立摆杆。由于小车在水平方向可适当移动，因此，控制小车的移动可使摆杆维持直立不倒。 M?1.2kg,m?0.3kg,l?0.8m,g?10m/s2 要求完成的主要任务: （包括课程设计工作量及其技术要求，以及说明书撰写

等具体要求）

1、研究该装置的非线性数学模型，并提出合理的线性化方法，建立

该装置的线性数学模型－传递函数（以u为输入，?为输出）；

2、

倒立摆系统的发展研究以及意义

摘 要：随着工业、农业、交通运输和国防等各个方面不断发展，这些方面都离不开较高的控制性能，自动控制就有了很大的应用舞台。从二十世纪五十年代到现在，人们对倒立摆的研究不断加深，是研究控制理论的一种实验设备，它具有高阶次、强耦合、非线性、多变量、不稳定等特点的系统，倒立摆系统已经由一级发展到了多级，控制手段也是多种多样。并且倒立摆还具有结构简单，价格低廉等优点，更是被人们应用和推广在很多领域。 本文主要是对倒立摆的研究现状及其意义做简单介绍。

关键词：倒立摆；发展现状；研究意义

1 倒立摆研究的背景

随着控制理论、计算机技术、以及信息技术的飞速发展很多新的理论和控制算法不断地出现倒立摆系统逐渐被人们用来检验控制方法的有效性。通过人们的不断研究拓展，倒立摆系统已经由一级发展到了二级、三级、四级乃至更多级，并且产生了平面倒立摆、平行倒立摆、环形倒立摆等多样式倒立摆，其控制手段也是多种多样的。由于其结构简单，价格低廉，物理结构和参数容易调整等特点，在工业和航天业中的控制系统中倒立摆系统有很大的应用舞台，对倒立摆系统理论的研究都有着深远的意义，是人们生活、学习、以及对于控制方法和理论的验证具有非常大的意义。

任何理论的研

《UML课程期末设计》报告

学 院： 计算机软件学院

专 业： 计算机科学与技术 姓 名： 学 号： 任课老师：

2015

年 6 月 20 日

酒 店 管 理 系 统

一、项目概况

1、 项目背景

目前大多数酒店提供的服务多种多样，规模大小也各不相同，酒店为人们生活、旅游、工作等提供了不可或缺的服务，也是社会行业就职的一大缺口。一般来说酒店必须具有两项服务：饮食和住宿。由于我们对酒店行业没有具体的接触和实质性的了解。此次数据库设计只能在一些收集到的基本材料与个人直观认识的基础上，简单模仿中等规模的酒店设计管理系统，并将其抽象成一个由三大部门组成，实现两大服务的系统。

2、 项目需求及设计原则

系统设计应遵循以下原则： 1) 系统必须具有先进性

整个系统必须采用当今最先进的网络技术、最先进的操作平台、强大的数

前言

生产系统建模与仿真是以制造型生产企业为核心，研究离散事件建模与仿真技术在生产企业分析中的应用原理和方法，旨在使学生对计算机仿真技术在生产系统的研究和分析方法上有一个正确的认识。内容包括：计算机仿真技术在生产系统分析中的作用和原理；针对生产系统组成的基本元素的各种建模方法；输入、输出和系统评价的方法；以及一个应用Witness 仿真软件对生产系统仿真和分析的实例。

第一部分 绪论

本实验指导书根据《生产系统建模与仿真》课程实验教学大纲编写，适用于工业工程专业。

一、本课程实验的作用与任务

培养用专用软件进行系统仿真的能力，熟悉Witness 软件的基本使用方法： 1、熟悉Witness的启动、熟悉Witness2003用户界面、熟悉Witness建模元素、熟悉Witness建模与仿真过程；

2、掌握Witness仿真软件的基本功能、掌握排队系统建模方法和运行的特点、了解影响排队系统效率的因素，对比不同排队模型（M/M/1和M/M/C）的优缺点；

3、熟悉多品种少批量生产方式的特、了解影响多品种少批量生产方式生产效率的因素及其优缺点。

二、本课程实验的基础知识

Witness 是由英国lanner公司推出的功能强大的仿真软件系统。它可以