小车倒立摆系统开题报告

开题报告填表说明

1.开题报告是毕业设计（论文）过程规范管理的重要环节，是培养学生严谨务实工作作风的重要手段，是学生进行毕业设计（论文）的工作方案，是学生进行毕业设计（论文）工作的依据。

2.学生选定毕业设计（论文）题目后，与指导教师进行充分讨论协商，对题意进行较为深入的了解，基本确定工作过程思路，并根据课题要求查阅、收集文献资料，进行毕业实习（社会调查、现场考察、实验室试验等），在此基础上进行开题报告。 3.课题的目的意义，应说明对某一学科发展的意义以及某些理论研究所带来的经济、社会效益等。

4.文献综述是开题报告的重要组成部分，是在广泛查阅国内外有关文献资料后，对与本人所承担课题研究有关方面已取得的成就及尚存的问题进行简要综述，并提出自己对一些问题的看法。

5.研究的内容，要具体写出在哪些方面开展研究，要突出重点，实事求是，所规定的内容经过努力在规定的时间内可以完成。

6.在开始工作前，学生应在指导教师帮助下确定并熟悉研究方法。 7.在研究过程中如要做社会调查、实验或在计算机上进行工作，应详细说明使用的仪器设备、耗材及使用的时间及数量。 8.课题分阶段进度计划，应按研究内容分阶段落实具体时间、地点、工作内容和阶段成果等，以便于有计划地开展工作。

9.开题报告应在指导教师指导下进行填写，指导教师不能包办代替。

10.开题报告要按学生所在系规定的方式进行报告，经系主任批准后方可进行下一步的研究（或设计）工作。 一、课题的目的意义：

倒立摆系统作为一个实验装置，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；作为一个被控对象，它又相当复杂，就其本身而言，是一个高阶次、不稳定、多变量、非线性、强耦合系统，只有采取行之有效的控制方法方能使之稳定。

理论是工程的先导，倒立摆的研究具有重要的工程背景。机器人行走类似倒立摆系统，尽管第一台机器人在美国问世以来已有几十年的历史，但机器人的关键技术至今仍未很好解决。由于倒立摆系统的稳定与空间飞行器控制和各类伺服云台的稳定有很大相似性，也是日常生活中所见到的任何重心在上、支点在下的控制问题的抽象。因此，倒立摆机理的研究又具有重要的应用价值，成为控制理论中经久不衰的研究课题。

文献综述（分析国内外研究现状、提出问题，找到研究课题的切入点，附主要参考文献，约2000字）：

倒立摆系统的最初分析开始于二十世纪五十年代，是一个比较复杂的不稳定，多变量，带有强耦合特性的高阶机械系统。倒立摆系统存在严重的不确定性，一方面是系统的参数的不确定性，一方面是系统受到不确定因素的干扰。其控制方法和思路在处理一般工业过程中有很广泛的用途，此外，其相关的研究成果也在航天科技和机器人学习方面得到了大量的应用，如机器人行走过程中平衡控制，火箭发射中的垂直度控制和卫星飞行中的姿态控制等，因此，倒立摆系统是进行控制理论研究的理想平台。

倒立摆是机器人技术﹑控制理论﹑计算机控制等多个领域﹑多种技术的有机结合，其被控系

统本身又是一个绝对不稳定、高阶次、多变量、强耦合的非线性系统，可以作为一个典型的控制对象对其进行研究。

倒立摆控制系统可以作为教学的方法和各种控制实验理想的控制理论实验平台。对于控制理论中的大多数经典控制系统：比如鲁棒性的系统、非线性的系统、随动系统、跟踪系统以及镇定相关的系统等都能以倒立摆控制系统的研究得到的较好反映。为了能够用于测试实验室阶段的控制方法对非线性以及振荡问题的处理能力的良好效果，这需要通过深入研究倒立摆控制系统。

早在上世纪60年代，人们就开始了对倒立摆系统的研究。1966 年 Schaefer 和 Cannon 应用 Bang–Bang控制理论，将一个曲轴稳定于倒置位置。到60年代后期，倒立摆作为一个典型不稳定、非线性的例证被提出 [1]。自此，对于倒立摆系统的研究便成为控制界关注的焦点。

倒立摆的种类有很多，按其形式可分为：悬挂式倒立摆、平行式倒立摆、环形倒立摆和平面倒立摆；按级数可分为：一级、二级、三级、四级、多级等；按其运动轨道可分为：水平式、倾斜式；按控制电机又可分为：单电机和多级电机。

目前有关倒立摆的研究主要集中在亚洲，如中国的北京师范大学、北京航空航天大学[2]、中国科技大学[3]，日本的东京工业大学、东京电机大学，东京大学[4]。韩国的釜山大学、忠南大学，此外，俄罗斯的圣彼得堡大学[5]、美国的东佛罗里达大学[6]、俄罗斯科学院[7]、波兰的波兹南技术大学[8]、意大利的佛罗伦萨大学[9]也都对这个领域有持续的研究。近年来，虽然各种新型倒立摆不断问世，但是可自主研发并生产倒立摆装置的厂家却并不多。目前，国内各高校基本上都采用香港固高公司和加拿大Quanser公司生产的系统[10,11]；其它一些生产厂家还包括（韩国）奥格斯科技发展有限公司（FT-4820型倒立摆）、保定航空技术实业有限公司；最近，郑州微纳科技有限公司的微纳科技直线电机倒立摆的研制取得了成功。

倒立摆控制系统主要可以应用在如下几个方面：

（1）通信卫星在预先准确计算好的无偏差轨道上和确定的运行位置上运行的同时，还要保持其稳定的飞行姿态，能够使卫星天线始终指向地球，可以使它的太阳能电池板始终指向太阳。

（2）双倒立摆控制系统与机器人的自主站立与行走有着高度的一致性。

（3）摄像机图像的成型质量容易受到多种干扰因素的影响。其中，对其产生较大的作用的莫过于侦察卫星轻微抖动的摄像机。因此，必须自主保持伺服云台的持续稳定，消除云平台的机械震动，从而使得摄像机的成像质量有较大的提高。

（4）在飞行器的飞行过程中，比如火箭等，需要不断地进行实时控制才能够保持其正确的姿态。

（5）柔性火箭，即多级火箭，它诞生就是单级的火箭在过弯时为了避免发生断裂而设计的，对多级倒立摆控制系统进行研究也是基于其姿态的稳定控制。 由于倒立摆控制系统广泛应用，所以对于倒立摆控制算法系统的机理做出深入的研究不仅具有着相当重要的理论意义，而且也具有极大的实践意义。 常见的倒立摆系统都是实验室中的实验设备，本课题主要是动手做出一个与实验室倒立摆设备功能相近的小型实物模型。用小型的直流电动机作为驱动力，以小车作为载体，便于实验操作。 参考文献

[1] 刘丽,何华灿.倒立摆系统稳定控制之研究[J].计算机科学,2006 ,33(5) :214-219 [2] 张飞舟,沈程智,范跃祖.拟人智能控制三级倒立摆[J].计算机工程与应用,2000,36(2):17-20

[3] 黄丹,刷少武,吴新开等.基于LQR最优调节器的倒立摆控制系统[J].微计算机信息,2004, 20(2):37-38

[4] Hyun-Taek Cho,Seul network position tracking control of an inverted pendulum an X-Y table robot[C].In: IROS,2003,2: l2l0-l2l5

[5] Alessandro Casavola,Edoardo Mosca,Maurizio under constraints:an application of the command governor approach to an inverted pendulum[J].In:IEEE Transactions on Control Systems Technology, 2004, 12:193-204

[6] Dapeng Luo, Alexander Leonessa. Nonlinear system identification of a reaction wheel pendulum using subspace method[C].In: American Control Conference, 2003, 6: 4590-4595

[7] Brock, S. Practical approach to fuzzy control of inverter pendulum[for inverter read inverted][C]. In：IEEE International Conference on Industrial Technology, 2003, 1: 3l-35

[8] Sato N, Kobayashi S, Suzuki S, Furuta K. Multi-inputs stabilization of pendulum on flexible base[C]. In：SICE 2003 Annual Conference, 2003, 2: 1440-1444

[9] Masaki Takahashi, Temasa Narukawa, Kazuo Yoshida. Intelligent stabilization control to an arbitrary equilibrium point of double pendulum[C].In: American Control Conference, 2004, 6: 5772-5777

[10] 单波,徐燕,赵建涛.预测控制算法及其在倒立摆中的应用[J].华北电力大学学报,2001,28(2):46-51

[11] 肖军.模糊控制在多变量非线性系统中的应用[D].东北大学学报,2001,2:56-61

三、课题研究的内容、方法和预期目标： 研究的基本内容：

完成单级倒立摆系统的总体方案设计，包括机械部分和机电控制部分； 2.完成机械部分的物理及数学模型的建立； 3.设计倒立摆软件控制系统；

4.对倒立摆的PID控制算法进行软件仿真； 5.完成倒立摆实物模型的建立。 研究的方法：

采用AVR系列的ATmega16单片机作为主控元件，BTS7960芯片模块作为驱动器，使用直流伺服电机作为驱动电机。采用增量式PID算法控制摆杆使其达到稳定，并对摆杆所处位置按角度进行分段，然后采用分段的PID算法进行控制，使摆杆快速准确的趋于稳定状态，并且使之没有过大的振荡和过大的角度和速度的变化，以得到良好的控制效果。 预期目标：

完成倒立摆实物模型的建立，完成PID控制算法的简单仿真

四、所需仪器设备、材料情况：

PC机，上位机Labview，ATmeg16单片机，ISP程序下载器，ATmeg16单片机代码编辑软件ICCV7 for AVR，ATmeg16单片机程序烧录软件progisp

五、 课 题 分 阶 段 的 进 度 计 划 序号

起止日期 工作内容

阶段成果 1

选题，查阅文献，写出毕业设计开题报告，开始外文翻译

完成开题报告，准备外文文献资料 2

开题报告定稿，并初步确定总体设计方案和章节和实验方案

确定总体方案、实验方案 3

开展实验，着手撰写毕业设计初稿

开展实验

4

继续实验，完成毕业设计初稿和外文翻译

完成实验、外文翻译和毕业设计初稿 5

完善初稿，形成二稿

完善毕业设计 6

完善毕业设计

毕业设计基本可定稿

7

毕业设计和外文翻译定稿

毕业论文定稿

8

提交答辩材料，准备答辩

完成答辩

指导教师意见

（详细填写指导教师意见）

签年 月 日

系主任意见

签字（公章）：

年 月 日

字：