文档介绍：分类号:TP273 学校单位代码:10446

硕士学位论文
论文题目:基于模糊 PID 的二级倒立摆控制器的设计
研究生姓名: 赵明明
学科、专业: 系统分析与集成
研究方向: 系统建模与仿真
导师姓名、职称: 王强德教授
论文完成时间: 2012 年 3 月
曲阜师范大学研究生学位论文原创性说明
(根据学位论文类型相应地在“□”划“√”)
本人郑重声明:此处所提交的博士□/硕士□√论文《基于模糊 PID 的二级
倒立摆控制器的设计》,是本人在导师指导下,在曲阜师范大学攻读博士□/
硕士□√学位期间独立进行研究工作所取得的成果。论文中除注明部分外不包
含他人已经发表或撰写的研究成果。对本文的研究工作做出重要贡献的个人
和集体,均已在文中以明确的方式注明。本声明的法律结果将完全由本人承
担。
作者签名: 日期:
曲阜师范大学研究生学位论文使用授权书
(根据学位论文类型相应地在“□”划“√”)
《基于模糊 PID 的二级倒立摆控制器的设计》系本人在曲阜师范大学攻
读博士□/硕士□√学位期间,在导师指导下完成的博士□/硕士□√学位论文。
本论文的研究成果归曲阜师范大学所有,本论文的研究内容不得以其他单位
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和借阅。本人授权曲阜师范大学,可以采用影印或其他复制手段保存论文,
可以公开发表论文的全部或部分内容。
作者签名: 日期:
导师签名: 日期:
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摘要
二级倒立摆系统是一个具有多变量、强耦合性、高度非线性的不稳定的系统,它可以
反应出控制界当中的很多问题,例如:鲁棒性、可镇定性、跟踪性等。在控制领域当中,
有很多的不稳定系统以及非线性系统,而倒立摆系统能够对这样的系统进行检验,所以倒
立摆系统是控制领域当中学者研究的热点之一。倒立摆的控制方法也在军事、机器人等领
域中得到了广泛性的应用。
第一章简单介绍了倒立摆系统研究的历史与现状,并阐述了在不同时期所取得的成
果。因为本文设计的是模糊 PID 控制器,所以在接下来的章节中我们首先要做的就是相关
理论的准备工作。准备的内容包括: PID 理论、模糊理论等相关知识的介绍。之后用拉格
朗日函数方法建立一个二级倒立摆的数学模型,根据这个模型求出它的状态与输出两个方
程,用现代控制理论对该系统的稳定性、可控制性、能观测性进行分析,同时得到本系统
的控制条件。第 4 章详细的介绍了模糊自整定 PID 控制器的设计的过程,对模糊控制器的
各个参数进行了说明,同时设计了模糊控制规则、推理过程等。第 5 章利用 MATLAB 语
言,将我们设计的控制器应用到第 2 章的二级倒立摆模型上,进行了仿真实验。接着应用
所设计的控制器对二级倒立摆系统进行了实际控制。
模拟仿真跟实物控制两者都证明,本文中我们所设计的模糊 PID 控制器性能优越,稳
定程度较高。与常规的 PID 控制器相比,避免了手动调节参数过程的繁琐以及在环境变化
时参数不能及时变化以满足系统要求的弊端。由此我们可以得出结论:本文所设计的控制
方法要优于单独的模糊控制、 PID 控制,它是一种非常有效的控制方法,在保证系统稳定
的前提下,实现了系统的快速、无差控制。
关键词:倒立摆;模糊控制;PID 控制;模糊 PID 控制;MATLAB 仿真
I
Abstract
Double inverted pendulum is an instability system which has many variable, strong coupling
and nonlinear. The double inverted pendulum can effectively reflect many questions, such as
robustness, stabilizability and tracking performance etc. There are many instability and nonlinear
systems in this area, at the same time, inverted pendulum can tested such systems, which is used
in a control area and scholars frequently. The control methods of inverted pendulum were also
widely used in military, ro