【摘要】：倒立擺系統(tǒng)具有非線性、高階次、多變量、強(qiáng)耦合等特點(diǎn),是絕不穩(wěn)定欠驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的典型代表。倒立擺系統(tǒng)可以抽象的表示多種應(yīng)用領(lǐng)域控制對(duì)象的基本模型,可以作為理想的多智能控制理論驗(yàn)證控制應(yīng)用平臺(tái),從而實(shí)現(xiàn)倒立擺系統(tǒng)在航空航天領(lǐng)域、智能機(jī)器領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用,因此倒立擺穩(wěn)定性控制研究是非常重要的。本文以直線二級(jí)倒立擺控制系統(tǒng)作為研究對(duì)象,首先對(duì)直線二級(jí)倒立擺進(jìn)行物理機(jī)理分析并建立數(shù)學(xué)模型,然后對(duì)直線二級(jí)倒立擺的數(shù)學(xué)模型線性化分析,得到系統(tǒng)的線性狀態(tài)空間表達(dá)式。其次,對(duì)比分析了PID控制器和LQR控制器實(shí)現(xiàn)直線二級(jí)倒立擺的控制仿真實(shí)驗(yàn),結(jié)果表明,PID實(shí)現(xiàn)的控制器數(shù)量多、控制效果差,而LQR控制器實(shí)現(xiàn)的直線二級(jí)倒立擺控制準(zhǔn)確性優(yōu)于PID控制,但LQR控制器參數(shù)選取過程偏經(jīng)驗(yàn)化,可優(yōu)化參數(shù)數(shù)量少,造成控制精度不高。最后,針對(duì)LQR控制器參數(shù)選取問題,采用粒子群算法對(duì)LQR控制器參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化,通過一個(gè)LQR控制實(shí)現(xiàn)對(duì)小車位移、小車速度、擺桿1角度和角速度、擺桿2角度和角速度進(jìn)行參數(shù)優(yōu)化。在實(shí)驗(yàn)設(shè)備平臺(tái)上進(jìn)行驗(yàn)證,粒子群算法優(yōu)化后的LQR控制器提高了直線二級(jí)倒立擺控制的穩(wěn)定性和準(zhǔn)確性,實(shí)現(xiàn)了擺桿偏離平衡后自恢復(fù)狀態(tài),并維持在平衡穩(wěn)定狀態(tài)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,粒子群優(yōu)化算法實(shí)現(xiàn)了對(duì)LQR直線二級(jí)倒立擺控制系統(tǒng)的優(yōu)化,對(duì)改善直線二級(jí)倒立擺控制系統(tǒng)穩(wěn)定性能具有極其重要的理論意義,為倒立擺系統(tǒng)的實(shí)際應(yīng)用奠定了理論基礎(chǔ),具有一定的應(yīng)用價(jià)值。
[Abstract]:Inverted pendulum system is a typical representative of unstable underdriven system because of its nonlinear, high order, multivariable, strong coupling and so on. Inverted pendulum system can represent the basic model of control objects in various application fields abstractly, and can be used as an ideal multi-intelligent control theory to verify control application platform, so as to realize inverted pendulum system in the field of aerospace. The research on stability control of inverted pendulum is very important because of its wide application in the field of intelligent machine. In this paper, the control system of linear two-stage inverted pendulum is taken as the research object. Firstly, the physical mechanism of the straight-line two-stage inverted pendulum is analyzed and the mathematical model is established, and then the linear analysis of the mathematical model of the straight-line two-stage inverted pendulum is carried out. The linear state space expression of the system is obtained. Secondly, the control simulation experiment of PID controller and LQR controller to realize linear two-stage inverted pendulum is compared and analyzed. The results show that the number of controllers realized by PID is large and the control effect is poor. However, the accuracy of linear two-stage inverted pendulum control realized by LQR controller is better than that of PID control, but the parameter selection process of LQR controller is empirical, and the number of optimized parameters is small, resulting in low control accuracy. Finally, aiming at the parameter selection of LQR controller, particle swarm optimization algorithm is used to optimize the parameters of LQR controller, and a LQR control is used to realize the displacement of trolley, the speed of trolley, the angle and angular velocity of swinging rod 1. The parameters of swing rod 2 angle and angular velocity are optimized. It is verified on the experimental equipment platform that the LQR controller optimized by particle swarm optimization improves the stability and accuracy of the linear two-stage inverted pendulum control, realizes the self-recovery state of the swinging rod after deviating from equilibrium, and maintains it in a balanced and stable state. The experimental results show that the particle swarm optimization algorithm realizes the optimization of LQR linear two-stage inverted pendulum control system, which is of great theoretical significance to improve the stability of linear two-stage inverted pendulum control system. It lays a theoretical foundation for the practical application of inverted pendulum system and has certain application value.
【學(xué)位授予單位】：西安科技大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2017
【分類號(hào)】：TH112

【參考文獻(xiàn)】

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本文編號(hào)：2492268