本科生毕业设计手册

中国石油大学胜利学院

本科生毕业设计(论文)手册

题目基于T-S模糊模型的单级倒立

摆控制系统研究

学生姓名丁昌通

学号201207013208

专业班级自动化二班

指导教师李凤霞

2016年3月4日

目录

本科生毕业设计（论文）任务书 (1)

本科生毕业设计（论文）开题报告 (4)

本科生毕业设计（论文）指导记录 (7)

本科生毕业设计（论文）中期检查表 (9)

本科生毕业设计（论文）指导教师评语 (10)

本科生毕业设计（论文）答辩记录表 (11)

本科生毕业设计（论文）专业答辩小组评语 (12)

本科生毕业设计（论文）成绩汇总表 (12)

本科生毕业设计（论文）任务书

论文题目基于T-S模糊模型的单级倒立摆控制系统研究

一．研究的主要内容

1.本课题任务的内容和要求

为了实现对单级倒立摆非线性不稳定系统的稳定控制，本文利用模糊控制理论中的T-S模糊模型将其处理成多个局部线性模型的模糊逼近，并进行了模糊控制器的设计。通过Simulink对倒立摆系统进行了建模仿真和对系统控制效果的分析结果表明：此模型实现了对单级倒立摆的稳定控制，并且具有模糊规则少、结构简单、很好的稳定性和快速性等优点，于其它非线性不稳定系统的控制提出了一种有效的途径。针对倒立摆的非线性采用T-S模糊控制模型控制的方法对倒立摆进行控制，建立了倒立摆的数学模型，并用进行仿真，Matlab仿真结果表明该控制方法对倒立摆具有好的控制效果。倒立摆系统是一非线性、强耦合、多变量和自然不稳定的系统,以其自身的不稳定性而难以控制,也因此成为自动控制实验中验证控制策略优劣的极好的实验装置。

本文主要完成直线倒立摆系统的数学建模，在此基础上完成了对直线倒立摆的LQR控制算法及仿真；并根据T-S模糊系统的原理建立了直线倒立摆系统的T-S模型，并根据并行分布补偿控制原理完成了控制器的设计，分别对连续型T-S模型的直线倒立摆控制系统和连续不确定型T-S模型的直线倒立摆控制系统进行了仿真研究[21]。考虑到单级倒立摆控制系统的模糊控制器有四个输入量和一个输出量，而两级倒立摆控制系统的模糊控制器有六个输入量和一个输出量，要直接设计一个多变量模糊控制器是相当困难的。因此本文采用一种变量分组的方法来设计控制器，即在控制结构上采用将一个复杂的多输入-单输出的模糊控制器，分解成若干个较为简单的多输入[22]。单输出的模糊控制器，这种控制器都是以系统误差和误差变化为输入语句变量。这种控制方法的最大优点是控制方法简单，调节时便于发现问题，有利于分别对小车和各级摆进行控制和研究。

技术要求：

(1)采用数学及物理知识建立数学模型；

(2)熟练掌握matlab相关编程及仿真知识；

(3)熟悉掌握T-S模糊模应用方法；

工作要求：

(1)认真阅读理解设计任务书；

(2)完成开题报告；

(3)查询相关资料，征询指导教师意见；

(4)订制写作计划，征询指导教师意见；

(5)论文撰写；

(6)论文答辩；

2.本课题应达到的目的

智能控制是近年来研究的热点，通过模糊控制使倒立摆这样一个不稳定被控对象成为一个稳定的系统，从而验证模糊控制算法的有效性，并将其应用于其他非线性系统的控制。T-S模糊模型可显著减少模糊语句数目，且便于对控制系统进行稳定性分析。本文通过建立基于Matlab的T-S模糊推理系统来对被控对象车摆系统进行仿真控制研究。

3.本毕业设计课题成果

(1)运行良好的程序系统。

(2)毕业论文。

二．有关要求

1.中外文献查阅要求

论文中引用的材料和数据，必须正确可靠，经得起推敲和验证，即论据的正确性。具体要求是，所引用的材料必须经过反复证实。第一手材料要公正，要反复核实，要去掉个人的好恶和想当然的推想，保留其客观的真实。第二手材料要究根问底，查明原始出处，并深领其意，而不得断章取义。引用别人的材料是为自己的论证服务，而不得作为篇章的点缀。在引用他人材料时，需要下一番筛选、鉴别的功夫，做到准确无误。写作毕业论文，应尽量多引用自己的实践数据、调查结果等作为佐证。

2.外文翻译要求

一、翻译的外文文献一般为1～2篇，外文字符要求不少于1.5万（或翻译成中文后至少在3000字以上）。

二、翻译的外文文献应主要选自学术期刊、学术会议的文章、有关著作及其他相关材料，应与毕业论文（设计）主题相关，并作为外文参考文献列入毕业论文（设计）的参考文献。并在每篇中文译文首页用“脚注”形式注明原文作者及出处，中文译文后应附外文原文。

三、中文译文的基本撰写格式为题目采用小三号黑体字居中打印，正文采用宋体小四号字，行间距一般为1.5倍行距，标准字符间距。页边距为左2.6cm，右2.6cm，上下各2.6cm，页面统一采用A4纸。

四、封面格式由学校统一制作（注：封面上的“翻译题目”指中文译文的题目，附件1为一篇外文翻译的封面格式，附件二为两篇外文翻译的封面格式），若有两篇外文文献，请按“封面、译文一、外文原文一、译文二、外文原文二”的顺序统一装订。

3.论文撰写要求

论文能够较好地综合运用所学理论和专业知识，具有较严谨的科学作风。论文要求依据充分，论证正确，有一定见解，文字通顺，条理清楚，数据准确，书写工整，论文字数在8000字以上。

三．毕业设计（论文）进度安排

2016年1月1日-3月20日通过各种途径（包括查阅相关书籍、上网等）做好系统需求分析，完成开题报告。

2016年3月21日-4月15日通过查阅资料，选择一个合适的解决方案，完成总体设计。

2016年4月16日-5月16日完成论文初稿。

2016年5月16日-6月9日论文修改。

2016年6月10日-6月13日论文答辩。

学生(签名)：指导教师(签名)：

系主任(签名)：年月日

本科生毕业设计（论文）开题报告

论文题目基于T-S模糊模型的单级倒立摆控制系统研究一．本课题的研究目的和意义

1.选题目的：

倒立摆控制系统是一个复杂的、不稳定的、非线性系统是进行控制理论教学及开展各种控制实验的理想实验平台。对倒立摆系统的研究能有效的反映控制中的许多典型问题，如非线性问题、鲁棒性问题、镇定问题、随动问题以及跟踪问题等。通过对倒立摆的控制用来检验新的控制方法是否有较强的处理非线性和不稳定性问题的能力。

2.选题意义：

对倒立摆这样的一个典型被控对象进行研究无论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和。

二．内外研究情况及其发展

1.国内研究现状

中国作为这里研究的中心之一，研究水平相对较高。北京师范大学采用变论域自适应模糊控制的方法在国际上首次实现了四级倒立摆的稳定控制。北京航空航天大学采用拟人智能控制方法实现了三级倒立摆的稳定控制。此外，也有基于云模型理论成功控制三级倒立摆的报道出现[1]。而最近几年，日

本国内的研究机构对倒立摆系统的相关研究也比较多[2]。

2.国外研究现状

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，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早在二十世纪50年代，人们就开始了对倒立摆系统的研究[3]。在那时，麻省理工学院的控制论专家根据

门研发火箭发射助推器原理设计处一级倒立摆实验设备。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、直线倒立摆、平面倒立摆和复合式倒立摆；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[4]。

三．本课题的主要研究内容和拟解决的关键问题

1.本课题主要研究内容

倒立摆是一个不稳定，多变量，非线性、强耦合系统。常规的控制算法如LQR在倒立摆的控制中已被广泛采用，但常规控制方法在倒立摆的控制中具有一定的局限性。智能控制是近年来研究的热点，通过模糊控制使倒立摆这样一个不稳定被控对象成为一个稳定的系统，从而验证模糊控制算法的有效性，并将其应用于其他非线性系统的控制[5]。

2.拟解决的关键问题

（1）单级倒立摆的建模问题；

（2）对单级倒立摆应用T-S模糊模型仿真问题；

四．究思路和方法

T-S模糊模实现了对单级倒立摆的稳定控制，并且具有模糊规则少、结构简单、很好的稳定性和快速性等优点，于其它非线性不稳定系统的控制提出了一种有效的途径。针对倒立摆的非线性采用T-S模糊控制模型控制的方法对倒立摆进行控制，建立了倒立摆的数学模型，并用进行仿真，Matlab仿真结果表明该控制方法对倒立摆具有好的控制效果[6]。

利用输出数据来确定T-S模型

Takagi，Sugeno和Kang在第一种方法有很多重要文献。这一程序主要有两部分组成：结构辨识和参数辨识。这一T-S建模方法适用于一些用解析的或物理模型不可能或十分困难描述的机构。另一方面，机械系统的非线性动力学模型可由拉格朗日方法和牛顿-欧拉法得到[9]。

五．参考文献

[1]郑大钟．线性系统理论[M]．北京：清华大学出版社，2005：1-706

[2]李绍宽．模糊控制系统的全局稳定性[J]．自动化学报，2002(5)：793-797．

[3]王磊，王为民．模糊控制理论及其应用[M]．北京：国防工业出版社，1997：45-70．

[4]俞立．鲁棒控制-线性矩阵不等式处理方法[M]．北京：清华大学出版社．2002：66-90．

[5]王立新．模糊系统与模糊控制教程[M]．北京：清华大学出版社，2003：99-104．

[6]刘金琨．先进PID控制MATLAB仿真[M]．北京：电子工业出版社，2004：78-99．

[7]周景振，韩曾晋．日本模糊控制理论与应用研究的进展[J]．模糊系统与数学，1997(4)：78-87．

[8]王广雄，林愈银，谢兵．控制问题中的线性矩阵不等式及其求解[J]．电机与控制学报，1998(2)：191-193．

[9]孟巧荣，廉自生．倒立摆控制系统的建模与仿真[J]．机械工程与自动化，2004(2)：7-9．

学生（签名）：

年月日

指导教师意见：

指导教师（签名）：

年月日

本科生毕业设计（论文）指导记录时间毕业设计（论文）指导情况

2016.3.8

确定论文选题方向，每个人都确定了大致的研究内容与研究方向。

2016.3.15

确定论文的题目，针对题目的可行性、研究意义和价值等方面对我们进行了指导，最终确定了题目。

2016.3.22

确定论文内容要求和引用文献的要求以及格式要求，并进行了简要说明。

2016.3.29

建议我们在先阅读优秀的本科生、研究生论文和权威文献，开阔眼界，提升自身的知识积累。

2016.4.5

讨论交流论文经验、文献方面遇到的问题，汲取他人经验，并集中解决问题，最后由老师进行解答与总结。

2016.4.12

确定了具体的研究方法和研究设计，每个人提出了论文中需要运用的理论，老师听取了理由并作出了指导。

2016.4.19

对论文初稿的结构提出了修改意见，并在论文的行文和思想表达上给予了修改意见。

2016.4.26

针对参考文献的引用以及标示做了具体的说明与举例提出了对参考文献的具体要求。

2016.5.3

对论文进行了审阅，对论文中存在的摘要概括性不足，研究设计阐述不详细，结果呈现条理不清晰，理论分析不够深入等具体问题分别进行了指导。

2016.5.10最后对论文进行综合评价与审阅并对我们予以鼓励。

学生（签名）：指导教师（签名）：

年月日年月日

本科生毕业设计（论文）中期检查表

毕业设计（论文）进展情况

2016.3.8确定了基于T-S模糊模型的单级倒立摆控制系统研究论文题目并对其进行一定的了解。

2016.3.22导师指导论文未参加。

2016.3.29导师指导论文未参加。

2016.4.5导师指导论文未参加。

2016.4.12导师指导论文，内容不合格，格式不正确。

2016.4.19导师指导毕业设计手册，格式不合格，有部分内容与论文无关。

学生（签名）：

年月日

指

导

教

师

意

见

指导教师（签名）：

年月日

本科生毕业设计（论文）指导教师评语

评价项目评价内容

得分（百分制）

平时表现学习、工作态度纪律性

综合运用知识能力

毕业论文论文规范性

论文撰写水平综合能力

理论与实际结合创新性

评语（特点、改进意见等）：

指导教师（签名）：

年月日

本科生毕业设计（论文）答辩记录表

论文题目基于T-S模糊模型的单级倒立摆控制系统研究

记录人（签名）：

年月日

本科生毕业设计（论文）专业答辩小组评语

评价项目评价内容

得分（百分制）

论文答辩论文质量

综合能力

内容阐述与回答问题

评语

签名成员：

组长：年月日本科生毕业设计（论文）成绩汇总表

项目平时表现毕业论文

论文答辩总成绩指导教师

成绩

注：总成绩中平时表现占20%、毕业论文占40%、论文答辩占40%。