基於ADRC的一級倒立擺系統設計與仿真開題報告

一、研究背景、研究意義、研究現狀及發展趨勢

1、研究背景及意義

倒立擺系統的最初分析開始於二十世紀五十年代，其控制方法和思路在處理一般工業過程中有廣泛的用途，此外，其相關的研究成果也在航天科技和機器人學習方面得到了大量的應用，如機器人行走過程中的平衡控制，火箭發射中的垂直度控制和衛星飛行中的姿態控制等，因此對倒立擺控制機理的研究具有非常重要的理論和實踐意義。但同時是一個比較複雜的不穩定,多變量，帶有強耦合特性的高階機械系統。倒立擺系統存在嚴重的不確定性，一方面是系統的參數不確定性，一方面是系統受到不確定因素的干擾。倒立擺系統具有成本低廉，結構簡單，參數和結構易於調整的優點。作爲控制理論研究中一種比較理想的實驗手段，倒立擺系統爲自動控制理論的教學、實驗和科研構建了一個良好的實驗平臺，以用來檢驗某控制理論或方法的典型案例，促進了控制系統新理論和新思想的發展。爲解決倒立擺控制系統的超調和快速性之間的矛盾，各種干擾對其的影響，進而對控制器進行了設計，自抗擾控制方法可以克服這些缺點，因此要用ADRC來控制直線倒立擺系統。

2、研究現狀及發展趨勢

鑑於倒立擺的穩定控制研究的重要意義，國內外學者對此給予了廣泛關注。國外在60年代就開始了對一級倒立擺系統的研究，在60年代後期，作爲一個典型的不穩定、嚴重非線性例證提出了倒立擺的概念，並用其檢驗控制方法對不穩定、非線性和快速性系統的控制能力。

近年來，隨着智能控制方法的研究逐漸受到人們的重視，模糊控制、神經網絡、擬人智能控制、遺傳算法和專家系統等越來越多的智能控制算法應用到倒立擺動系統的控制上。Charies rson在1988年應用自學習模糊神經網絡成功控制一級擺；周建波等用基於B網絡的規則控制也解決了單擺的穩定性控制問題；徐紅兵等提出了基於變結構的模糊神經網絡控制算法，實現了二級倒立擺系統的穩定性控制；1995年，張明廉等人應用擬人智能控制理論成功的解決了三級倒立擺這一控制界的世界性難題；2001年9月19日，北京師範大學李洪興教授領導的複雜系統實時智能控制實驗室採用變論域自適應模糊控制成功地實現了三級倒立擺實物系統控制，又於2002年8月11日在國際上首次成功實現了四級倒立擺實物控制系統。

二、研究內容

本課題的主要研究內容集中基於ADRC的倒立擺控制系統研究，並針對其動態響應和運行穩定性，主要。主要內容簡述如下：

（1）建立倒立擺控制系統的數學模型；

（2）設計自抗擾控制器，包括：TD，NLSEF，ESO。然後對各部分的參數進行設計和調整；

在Simulink 環境下建立系統仿真模型，驗證基於自抗擾控制技術的倒立擺控制系統控制策略的有效性。

三、研究方法

（1）查閱相關國內外文獻資料（包括相關規範等），瞭解與該課題相關的理論知識，分析研究當前相關設計的優秀方案，在學習的基礎上添加在自己的創新元素。

（2）建立在所學知識的基礎上，分步驟的完成各項設計任務，在工作計劃內按時完成相應的工作，包括自動配料系統的硬件框圖、程序框圖、設計仿真等。

（3）各元器件的選型及設計內容的整理，開始進行設計說明書的撰寫。

（4）完成對設計內容的進一步修改，完善設計方案。整理、打印、裝訂設計說明書。完成答辯的準備工作。

四、國內外文獻綜述

倒立擺系統本身爲多變量、非線性、強耦合的不穩定系統，由於以上特性，其精確控制對實現工業生產中複雜對象的控制有着重要的應用價值。主要的控制方法有線性控制、預測和變結構控制、智能控制等。智能控制是目前應用較爲廣泛的控制方法，研究的熱點，其主要理論來自於人的實踐經驗，不需要精確的數學模型。模糊控制有兩種典型算法，其Mamdani算法最爲常用，Sugeno型適合應用在動態非線性系統中。Mamdani算法中，分別對小車位置和擺杆角度進行控制，兩個控制器形成串聯結構，每個控制器只有二維，避開了四輸入變量，這樣免去了多輸入變量時模糊規則爆炸的問題。這樣免去了多輸入變量時模糊規則爆炸的問題中PID控制的單級直線倒立擺,雖然能很好控制擺杆角度,但是對於小車位置控制存在一定的偏差,文中模糊控制的倒立擺系統雖然具有一定的抗擾能力,但是加入稍強的干擾就無法達到穩定的控制效果,而自抗擾控制(Active Disturbance Re-jection Control,ADRC)的主動抗擾特性可以削減和解決這些外擾因素,而達到穩定的控制效果。但是傳統的自抗擾控制器只能穩定控制擺杆角度,並不能兼顧小車位置的控制,這就使倒立擺控制在現實中的運用上受到限制。

目前ADRC的應用領域廣泛。包括紙幅張力控制，硬盤驅動控制，DC-DC變換器。它也可以解決執行機構的非線性問題，如壓電陶瓷執行器的滯環問題。基於ADRC算法，一些多輸入多輸出系統可以獲得解耦控制，如微型機電系統(micro-electro-mechanical system），和連續攪拌槽式反應器(continuous stirred tank reactor)。ADRC的應用不只侷限於控制領域，他也可以用來執行健康監視和故障診斷等任務。當下的ADRC理論基礎相對完善，理論上所需要的僅是一些特殊情況下的穩定性證明。而未來的發展趨勢是簡化ADRC算法，完善單參數ADRC算法調節策略，將ADRC算法逐步替代PID算法，應用到工業界的各個領域，提高控制性能和效率。由於ADRC算法是一種基於控制的控制算法，因此其應用時也應遵循下圖所示的過程，即理論>技術>應用>理論三者的循環補充。

五、研究方案及工作計劃

1、研究方案

（1）查閱相關國內外文獻資料（包括相關規範等），瞭解與該課題相關的理論知識，分析研究當前相關設計的優秀方案，在學習的基礎上添加在自己的創新元素。

（2）建立在所學知識的基礎上，分步驟的完成各項設計任務，在工作計劃內按時完成相應的工作，包括自動配料系統的設計框圖、程序框圖、仿真設計等。

（3）各元器件的選型及設計內容的整理，開始進行設計說明書的撰寫。

（4）完成對設計內容的進一步修改，完善設計方案。整理、打印、裝訂設計說明書。完成答辯的準備工作。

2、工作計劃

第1周：根據設計任務書要求選擇合適合理的方案設計直線倒立擺控制系統系統的課題。

第2周：根據確定方案，比較、選擇設計適合的研究方案等。

第3周：根據題目要求，設計軟件框圖，並進一步優化改進。

第4-5周：完成整體電路設計，畫出原理圖並驗證其可行性。

第6-8周：根據課題要求和電路原理圖編寫程序。

第9周：對軟件進行仿真調試，優化軟件設計使之符合要求。

第10周：結合軟件進行調試、修改，並使最終方案滿足設計要求。

第11-12周：撰寫畢業論文。

第13周：修訂畢業設計論文、完善畢業設計。

第14周：提交正式設計論文。

第15周：準備參加畢業答辯。

第16周：參加答辯，整理畢業設計材料提交。

六、參考文獻

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