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（全套CAD）直线倒立摆的稳定控制算法设计（图纸论文整套）

电编码器。为使铰链转动灵活，必须保证轴承座中的两个深沟球轴承同心。因此，轴承座安装轴承的孔应设计为通孔，并在车床上次装夹加工完成，以避免产生二次装夹误差。同时，光电编码器的安装没有选择现有倒立摆实验装置的安装方法即把编码器安装在支架上，而是直接把编码器固定在轴承座的端，这样可以避免产生新的装配误差。而且选择此方法还在轴承座加工中增加了道加工工序，即车完轴承装配孔后将编码器安装面重车刀，保证编码器安装面与轴承座的轴承安装孔垂直。转轴的设计直接关系到摆杆铰链的灵活程度，从而影响倒立摆控制的稳定性。因此，必须保证转轴轴承装配面和编码器轴装配面是同心的。同时为了保证编码器安装后与转轴同心，转轴的加工工序如下首先加工编码器安装孔，然后利用三爪夹盘将转轴固定，利用顶尖在编码器装配孔中以增加转轴在加工中的刚性，最后完成其余加工工序。要满足小车在轨道上往复运动并尽量减少摩擦，系统采用直线轴承实现。直线轴承座设计中的关键是保证两个直线轴承座轨道安装面是同心的。因此，需要先将两个截面为正方形的长方体棒料在车床上利用四爪夹盘装夹，并在正方形截面的中心钻孔，留.毫米余量进行精加工，直线,倒立,稳定,不乱,控制,节制,算法,设计,毕业设计,全套,图纸本文首先利用牛顿力学分析的方法和拉格朗日法建立了直线级二级三级倒立摆实物系统的线性状态方程，并在此基础上分析了该系统是不稳定的，同时又是能控的和能观的。基于此本文设计了直线倒立摆系统的机械本体部分，研究了直线级二级三级倒立摆系统的和状态空间极点配置控制算法，同时利用对各个算法进行分析，由仿真结果表明对于像倒立摆这样的非线性模型，通过对其数学模型的建立，设计相应的控制器,并对其实现控制是可行的。关键词直线倒立摆状态空间极点配置目录绪论.前言.倒立摆系统研究背景及意义.国内外倒立摆控制研究发展及现状.本文主要工作倒立摆机械系统设计及实现.倒立摆简介.倒立摆工作特性和工作原理工作特性系统工作原理.系统机械结构设计底座设计小车部分设计传动部分设计步进电机选择级直线倒立摆系统的建模分析与仿真.级倒立摆模型分析系统可观可控性分析系统阶跃响应分析.级直线倒立摆控制器设计与仿真控制器设计及算法仿真控制器设计及算法仿真状态空间极点配置控制设计及仿真小结二级直线倒立摆系统的建模分析与仿真.二级倒立摆模型的分析二级倒立摆稳定性分析能控性能观性分析.二级直线倒立摆控制器设计与仿真控制器设计及算法仿真状态空间极点配置控制设计及仿真小结三级直线倒立摆系统建模分析与仿真.二级倒立摆模型分析三级倒立摆稳定性分析能控性能观性分析.三级直线倒立摆控制器设计与仿真控制器设计及算法仿真状态空间极点配置控制设计及仿真小结总结与展望参考文献致谢毕业设计论文知识产权声明毕业设计论文独创性声明附录绪论.前言倒立摆系统是个非线性自然不稳定系统，是进行控制理论教学及开展各种控制策略的理想验证平台。倒立摆系统的高阶次不稳定多变量非线性和强藕合等特性，使得许多现代控制理论研究人员直将它视为最佳的理论方法验证试验研究对象，不断从研究倒立摆控制中发掘出新的控制方法，并将其应用于航天科技机器人学海上钻井平台火箭发射中的垂直度控制和卫星飞行中的姿态控制太空探测器着陆控制和测量仪器展开稳定控制等各种高新科技领域。倒立摆系统在控制过程中能有效地反映控制中的许多关键问题，如非线性问题系统的鲁棒性问题随动问题镇定问题及跟踪问题等。作为个实验装置，形象直观，结构简单，构件组成参数和形状易于改变，成本低廉。倒立摆系统的控制效果可以通过其稳定性直观地体现，也可以通过摆杆角度小车位移和稳定时间直接度量，其实验效果直观显著。.倒立摆系统研究背景及意义对倒立摆系统的研究不仅仅在其结构简单原理清晰易于实现等特点，而且作为典型的多变量系统，可采用实验来研究控制理论中许多方面的问题。在稳定性控制问题上，倒立摆既具有普遍性又具有典型性。倒立摆的典型性在于，倒立摆系统作为个控制装置，它结构简单价格低廉，便于模拟和数字多种不同的方式控制，通过引入适当的控制方式使之成为个稳定的系统，而且当种新的控制理论和方法提出以后，在不能用理论加以严格证明时，可以考虑通过倒立摆装置来验证其正确性和实用性。另方面对系统的研究也比较有实用价值，从日常生活中所见的任何重心在上支点在下的控制问题，到空间飞行器和各类伺服云台的稳定，都和倒立摆的控制有很大的相似性。倒立摆的研究不仅有其深刻的理论意义，还有重要的工程背景。它的工程背景如下机器人的站立与行走类似双倒立摆系统，尽管第台机器人在美国问世至今已有三十年的历史，机器人的关键技术机器人的行走控制至今仍未能很好解决。在火箭等飞行器的飞行过程中，为了保持其正确的姿态，要不断进行实时控制。通信卫星中在预先计算好的轨道和确定的位置上运行的同时，要保持其稳定的姿态，使卫星天线直指向地球，使它的太阳能电池板直指向太阳。为防止单级火箭在拐弯时断裂而诞生的柔性火箭多级火箭，其飞行姿态的控制也可以用多级倒立摆系统进行研究。侦察卫星中摄像机的轻微抖动会对摄像的图象质量产生很大的影响，为了提高摄像的质量，必须能自动地保持伺服云台的稳定，消除震动。.国内外倒立摆控制研究发展及现状在国外，倒立摆系统研究最早始于上世纪年代，麻省理工学院机电工程系的控制论专家根据火箭发射助推器原理设计出级倒立摆实验装置。但是正式提出倒立摆概念的是在年代后期。在此基础上，世界各国专家和学者对倒立摆进行了拓展，产生了直线二级倒立摆三级倒立摆多级倒立摆柔性直线倒立摆环形倒立摆平面倒立摆环形并联多级倒立摆以及斜坡倒立摆等实验设备，并用不同的控制方法对其进行了控制。年首先把倒立摆系统在平衡点附近线性化，利用状态空间方法设计比例微分控制器实现了级倒立摆的稳定控制。年，等人应用最优状态调节器理论首次实现双电机三级倒立摆实物控制。年代后期开始，较多的研究了倒立摆系统中的非线性特性，提出了系列的基于非线性分析的控制策略，年，等人应用基于李亚普诺夫的方法控制了环形级倒立摆。国内对倒立摆的研究始于年代，三级倒立摆及多级倒立摆的研究也取得了很大进展，不仅在系统仿真方面，而且在实物实验中，都出现了控制成功的范例。尹征琦等成功的以模拟的降维观测器实现了二级倒立摆的控制。梁任秋等针对二级倒立摆系统给出了三种实用的数字控制器和降维观测器。年，北京航空航天大学教授张明廉将人工智能与自动控制理论相结合，提出“拟人智能控制理论”，实现了用单电动机控制三级倒立摆实物以及后来实现对二维单倒立摆控制。年，罗成等人实现了五级倒立摆的控制。对倒立摆这样的个典型被控对象进行研究，它在理论上和方法上都具有重要意义。不仅由于其级数增加而产生的控制难度是对人类控制能力的有力挑战，更重要的是实现其控制稳定的过程中不断发现新的控制方法探索新的控制理论，并进而将新的控制方法应用到更广泛的受控对象中。各种控制理论和方法都可以在这里得以充分实践，并且可以促成相互间的有机结合。当前倒立摆的控制方法可分为以下几类线性理论控制方法将倒立摆系统的非线性模型进行近似线性化处理，获得系统在平衡点附近的线性化模型，然后再利用各种线性系统控制器设计方法得到期望的控制器。控制状态反馈控制控制算法是其典型代表。这类方法对二级的倒立摆线性化后误差较小模型较简单控制时，可以解决常规倒立摆的稳定控制问题。但对于像非线性较强模型较复杂的多变量系统三四级以及多级倒立摆线性系统设计方法的局限性就十分明显，这就要求采用更有效的方法来进行合理的设计。预测控制和变结构控制方法由于线性控制理论在倒立摆控制中的局限性，使得研究者不得不去寻求更加有效的控制方法，于是先后开展了预测控制变结构控制和自适应控制的研究。预测控制是种优化控制方法，强调的是模型的功能而不是结构。变结构控制是种非连续控制，可将控制对象从任意位置控制到滑动曲面上仍然保持系统的稳定性和鲁棒性,但是系统存在颤抖。预测控制变结构控制和自适应控制在理论上有较好的控制效果，但由于控制方法复杂成本也高，不易在快速变化的系统上实时实现。智能控制方法在倒立摆系统中用到的智能控制方法主要有神经网络控制模糊控制仿人智能控制拟人智能控制和云模型控制等。神经网络控制神经网络能够任意充分地逼近复杂的非线性关系，能够学习与适应严重不确定性系统的动态特性，所有定量或定性的信息都等势分布贮存于网络内的各种神经元，故有很强的鲁棒性和容错性也可将学习算法和神经网络有效结合，实现状态未离散化的倒立摆的无模型学习控制。但是神经网络控制方法存在的主要问题是缺乏种专门适合于控制问题的动态神经网络，而且多层网络的层数隐层神经元的数量激发函数类型的选择缺乏指导性原则等。模糊控制经典的模糊控制器利用模糊集合理论将专家知识或操作人员经验形成的语言规则直接转化为自动控制策略通常是专家模糊规则查询标，其设计不依靠对象精确的数学模型，而是利用其语言知识模型进行设计和修正控制算法。常规的模糊控制器的设计方法有很大的局限性，首先，难以建立组比较完善的多维模糊控制规则，即使能凑成这样组不完整的粗糙的模糊控制规则，其控制效果也是难以保证的。但是模糊控制结合其他控制方法就可能产生比较理想的效果。拟人智能控制模糊控制神经网络控制等智能控制理论的问世促进了当代自动控制理论的发展。然而，基于这些智能控制理论所设计的系统往往需要庞大的知识库和相应的推理机，不利于实现实时控制。这又阻碍了智能控制理论的发展，因此，又有学者提出了种新的理论拟人控制理论。拟人智能控制的核心是“广义归约”和“拟人”。“归约”是人工智能中的种问题求解方法。这种方法是将等求解的复杂问题分解成复杂程度较低的若干问题集合，再将这些集合分解成更简单的集合，依此类推，最终得到个本原问题集合，即可以直接求解的问题。另核心概念是“拟人”，其含义是在控制规律形成过程中直接利用人的控制经验直觉推理分析。仿人智能控制仿人智能控制的基本思想是通过对人运动控制的宏观结构和手动控制行为的综合模仿，把人在控制中的“动觉智能”模型化，提出了仿人智能控制方法。研究结果表明，仿人智能控制方法解决复杂强非线性系统的控制具有很强的实用性。云模型控制利用云模型实现对倒立摆的控制，用云模型构成语言值，用语言值构成规则，形成种定性的推理机制。这种拟人控制不要求给出被控对象精确的数学模型，仅仅依据人的经验感受和逻辑判断，将人用自然语言表达的控制经验，通过语言原子和云模型转换到语言控制规则器中，就能解决非线性问题和不确定性问题。.本文主要工作本论文的主要工作是设计了直线倒立摆系统的机械本体部分，并分别进行，线性二次最优控制，状态空间极点配置控制算