电动车跷跷板平衡系统设计开题报告.doc

毕 业 设 计 开 题 报 告 1．结合毕业设计情况，根据所查阅的文献资料，撰写2000字左右的文献综述： 文 献 综 述 一．研究的目的及意义 本课题的在控制领域中是人们感兴趣而又难以被控制的过程，其相关研究结论可应用于飞行器姿态控制、机器人平衡控制等方面，涉及非线性信号处理、非线性控制、控制参数自动优化等技术。 二．国内外研究综述 本项目要求电动小车在一个翘翘板上保持平衡，当另有外力使翘翘板失衡时，小车自动寻找新的平衡点，使翘翘板重新达到平衡。这与目前流行的“两轮自平衡机器人”的控制方法类似，这类产品常用的控制有理论是基于倒立摆模型的PID控制。 1.基于倒立摆模型的传统控制方法： (1)理论依据： “两轮自平衡机器人控制系统”的控制模型采用倒立摆数学模型进行控制。倒立摆控制系统是一个复杂的、不稳定的、非线性系统，倒立摆系统按摆杆数量的不同，可分为一级，二级，三级倒立摆等“两轮自平衡机器人控制系统”采用的是二级倒立摆模型。 倒立摆的控制问题就是使摆杆尽快地达到一个平衡位置，并且使之没有大的振荡和过大的角度和速度。当摆杆到达期望的位置后，系统能克服随机扰动而保持稳定的位置。倒立摆系统的输入为小车的位移（即位置）和摆杆的倾斜角度期望值，计算机在每一个采样周期中采集来自传感器的小车与摆杆的实际位置信号，与期望值进行比较后，通过控制算法得到控制量，再经数模转换驱动直流电机实现倒立摆的实时控制。直流电机通过皮带带动小车在固定的轨道上运动，摆杆的一端安装在小车上，能以此点为轴心使摆杆能在垂直的平面上自由地摆动。作用力u平行于铁轨的方向作用于小车，使杆绕小车上的轴在竖直平面内旋转，小车沿着水平铁轨运动。当没有作用力时，摆杆处于垂直的稳定的平衡位置（竖直向下）。为了使杆子摆动或者达到竖直向上的稳定，需要给小车一个控制力，使其在轨道上被往前或朝后拉动。两轮移动机器人运动控制系统的设计与实现两轮质量、转动惯量、半径以机器人竖直角度、竖直方向角速度和电机转速为输入，车轮转动角加速度为输出 (3)算法优缺点: 然而这种算法控制精确，反应迅速，但是计算过于复杂，易受外界干扰，只能用DSP作为嵌入式CPU进行控制，软件、硬件的复杂度都会提高。而且在本项目中是小车去保持跷跷板的平衡，小车在跷跷板不同位置对整个系统重心的影响,以及翘翘板的摩擦力都是难以测量的，不易得出算法或者算法太复杂，所以这种方法不适于用在本系统中。 2.基于模糊数学的控制方法： (1)理论简介: 模糊控制就是以模糊数学为工具,把控制专家和操作技师的经验模拟下来,通过模糊控制软件,将最善于处理模糊概念的人脑思维方法体现出来,作出正确的判断. 模糊控制最适宜用于难以用精确的数学模型来表达的控制系统,多数的家用电器的自动化,智能化且节能是最主要的发展方向,而其控制正是一种难以建立精确数学模型的控制问题 这种控制方法包含了五个主要部分，即:定义变量、模糊化、知识库、逻辑判断及反模糊化，底下将就每一部分做简单的说明：1). 定义变量：也就是决定程序被观察的状况及考虑控制的动作，例如在一般控制问题上，输入变量有输出误差E与输出误差之变化率CE，而控制变量则为下一个状态之输入U。其中E、CE、U统称为模糊变量。2). 模糊化：将输入值以适当的比例转换到论域的数值，利用口语化变量来描述测量物理量的过程，依适合的语言值求该值相对之隶属度，此口语化变量我们称之为模糊子集合。3). 知识库：包括数据库与规则库两部分，其中数据库是提供处理模糊数据之相关定义；而规则库则藉由一群语言控制规则描述控制目标和策略。4). 逻辑判断：模仿人类下判断时的模糊概念，运用模糊逻辑和模糊推论法进行推论，而得到模糊控制讯号。此部分是模糊控制器的精髓所在。5). 解模糊化：将推论所得到的模糊值转换为明确的控制讯号，做为系统的输入值。控制规则是模糊控制器的核心，规则的正确与否直接影响控制器的性能，而规则数目的多寡也是一个重要因素，模糊控制规则的取得可经由下列各种方式：1)专家的经验和知识　　 前面曾经提到模糊控制也称为控制上的专家系统，专家的经验和知识是设计上有余力的线索。人类日常生活常中判断事情时，使用语言定性分析多于数值定量分析；而模糊控制规则提供了一个自然的架构来描述人类的行为及决策分析，并且专家的知识通常可用if…的型式来表示。　　 藉由询问经验丰富的专家，在获得系统的知识后，将知识改为if…的型式，则如此便可构成模糊控制规则。为了获得最佳的系统性能，常需多次使用试误法，以修正模糊控制规则。) 操作员的操作模式　　现在流行的专家系统，其想法只考虑知识的获得，专家巧妙地操作复杂的控制对象，但要将专家的诀窍加以逻辑化并不容易；因此，在控制上也要考虑技巧的获得。在许多工业系统无法以一般的控制理论做正确的控