毕业设计一阶倒立摆最优控制器的设计

本科毕业设计阐明书本科毕业设计阐明书（题目：题目：一阶倒立摆最优控制器的设计学生姓名：xx学院：xx系别：xx专业：xx班级：xx指导教师：xx二○○七年六月

摘要倒立摆系统的控制研究长期以来被认为是控制理论及其应用领域里能引起人们极大爱好的问题。它是检查多种新的控制理论和措施的有效性的著名试验装置。作为一种高阶、非线性不稳定系统，倒立摆的稳定控制相称困难，对该领域的学者来说是一种极具挑战性的难题。首先，本文论述倒立摆系统控制的研究发展过程，简介了倒立摆系统的构造，并详细推导了一级倒立摆的数学模型，为更高层次的控制规律的研究提供了一种途径。另一方面，研究倒立摆系统的多种控制措施。其中包括有经典控制理论中的PID控制措施和最优控制理论中的极点配置法、LQR法。在MATLAB/SIMULINK的环境下，作了大量的系统仿真研究工作，比较了多种控制措施。最终，发现通过最优控制措施校正后的系统的性能优于经典控制措施校正后的系统的性能，并且最优控制较易实现。关键词：倒立摆系统；经典控制理论；最优控制理论；系统仿真AbstractThecontrolofinvertedpendulumsystemhaslongbeenconsideredanintriguingproblemforcontroltheoryanditsapplications.Itiswellknownasatestbedfornewcontroltheoryandtechniques.Asahighlynonlinearandunstablesystem,thestabilizationcontrolofinvertedpendulumsystemisaprimarychallengeforresearchersinthisfieldbecauseofthedifficultyoftheproblem.Firstly,afterintroducingthedevelopmentandcurrentsituationofinvertedpendulumsystemresearch,themechanismofinvertedpendulumarepresented.Mathematicalmodelofthehigheronelevelinvertedpendulumisparticularlyeducedinthischapter.Secondly,thethesisdiscussesmainlythecontrolmethodsofinvertedpendulumsystembasedonthePIDofclassiccontroltheories,thePolearrangementandtheLQRofmoderncontroltheories.AndmanysystemsimulationresearchesonthestabilityofinvertedpendulumhavebeendoneintheenvironmentofMATLAB/SIMLTLINK.Finally,wewillfindthattheperformanceofsystemwhichwasadjustedbyoptimalcontroltheoryisbetterthantheperformanceofsystemwhichwasadjustedbyclassiccontroltheory,andtheoptimalcontroliseasiersuccessthanclassiccontrol.Keywords:Invertedpendulumsystem;Classiccontroltheory;Optimalcontroltheory;Systemsimulation目录引言 1第一章 绪论 21.1 问题的提出及研究意义 21.1.1 问题的提出 21.1.2研究意义 21.2 本论文重要研究的内容 2第二章 单级倒立摆数学模型 42.1单级倒立摆数学模型的构造 42.2系统的数学模型推导 52.2.1不考虑摩擦时的传递函数及状态方程 52.2.2考虑摩擦时的传递函数及状态方程 8第三章 单级倒立摆PID控制器设计与仿真 113.1理论分析 113.2PID控制器的设计与仿真 12第四章 现代控制理论在控制倒立摆系统中的应用 204.1状态空间极点配置法 204.1.1理论分析 204.1.2状态空间极点配置法的设计及仿真 204.2基于LQR的倒立摆最优控制系统研究 244.2.1理论分析 244.2.2LQR控制器的设计与仿真 24结论 24参照文献 24谢辞 24引言杂技顶杆演出之所认为人们熟悉，不仅是其技艺的精湛，更重要的是其物理与控制系统的稳定性亲密有关。它深刻提醒了自然界一种基本规律，即一种自然不稳定的被控对象，通过控制手段可使之具有良好的稳定性。这一规律已成为当今航空航天器设计的基本思想。不难看出杂技演员顶杆的物理机制可简化为一种简朴的倒立摆。倒立摆是一种自然不稳定体，在控制过程中能有效地反应控制中的许多关键问题，如非线性问题、系统的鲁棒性问题、随动问题、镇静问题及跟踪问题等。倒立摆系统作为一种试验装置，形象直观，构造简朴，构件构成参数和形状易于变化，成本低廉；作为一种被控对象，它又相称复杂，就其自身而言，是一种高阶次、不稳定、多变量、非线性系统，只有采用行之有效的控制措施方能使之稳定。倒立摆系统稳定效果非常明了，可以通过摆动角度，位移和稳定期间直接度量，控制好坏一目了然。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经有三十数年的历史，但机器人的关键技术至今仍未很好处理。由于倒立摆系统的稳定与空间飞行器控制的稳定有很大相似性，也是平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。倒立摆系统最终的控制目的是使倒立摆这样一种不稳定的被控对象，通过引入合适的控制措施使之成为一种稳定的系统。对倒立摆系统建立数学模型是实现倒立摆控制的基础。常见的倒立摆的控制措施有如下几种:1.经典控制理论中的PID控制。通过对倒立摆系统的机理分析，建立倒立摆的动力学模型，使用状态空间理论推导其非线性模型，并在平衡点处进行线性化得到倒立摆系统的状态方程和输出方程，从而设计出PID控制器实现其控制。2.最优控制理论中的极点配置法以及LQR法。该系统是一种单输入多输出的系统，且可证明此系统是能控的，因此可以通过全状态反馈极点配置的措施以及LQR措施使系统保持稳定。绪论问题的提出及研究意义问题的提出作为控制领域的一种经典装置，倒立摆的最初研究开始于二十世纪五十年代，麻省理工大学电机工程系设计出了单级倒立摆这一试验设备，物理特性与控制系统的稳定性亲密有关，可以说它揭示了自然界的一种基本规律，就是一种自然不稳定的被控对象，通过控制手段可使其具有良好的稳定性。到目前为止，以单级平面倒立摆为雏形，倒立摆装置已经演绎出了许多种形式，包括悬挂式倒立摆、平行式倒立摆和球平衡式倒立摆。倒立摆的级数可以是一级、二级、三级、乃至多级。倒立摆的运动轨道也由最初的水平轨道扩展到了倾斜轨道，而控制电机可以是单电机，也可以是多电机控制。1.1.2研究意义课题的意义重要包括:1．倒立摆系统作为试验平台，具有直观性和趣味性的特点。倒立摆系统构造简朴，构件构成参数和形状易于变化，控制效果形象直观，一目了然。开发倒立摆系统试验装置对控制理论的深入理解具有重要意义。2.倒立摆系统是从控制理论到实际应用的桥梁。通过对倒立摆系统的稳定控制进行设计，可以对控制理论和控制措施的对的性以及实用性加以物理验证，对多种措施进行快捷、有效、生动的比较，是一种有效的物理证明措施。从倒立摆试验中可以总结有效的控制经验，具有实践的意义。3.倒立摆系统的研究，具有重要的工程背景。无论空间飞行器控制，机器人直立行走控制还是各类伺服系统的稳定控制，都可以应用对倒立摆系统的研究成果，具有实际应用的意义。本论文重要研究的内容论文关键包括“倒立摆系统”和“控制”两个方面，围绕这一关键，将论文中控制方案的完毕提成3个阶段：建模阶段、设计阶段和仿真阶段。1.建模阶段：初步理解倒立摆的工作原理，建立倒立摆系统的近似线性模型。给定一套参数，建立系统的数学模型，包括传递函数模型和状态空间模型。2.设计阶段：提出闭环系统的响应指标。根据实际系统的参数，完毕3种控制器的设计：PID控制器、极点配置控制器和LQR控制器。3.仿真阶段：此阶段在上一阶段研究的基础上，运用理论模型和理论参数对系统进行仿真测试，检查系统响应与否满足规定。单级倒立摆数学模型2.1单级倒立摆数学模型的构造倒立摆小车系统如图2.1所示。在忽视了空气流动，多种摩擦之后，一阶倒立摆系统可抽象成小车和匀质杆构成的系统，假设:为小车质量;为摆杆质量;为小车摩擦系数;为摆杆转动轴心到杆质心的长度;为摆杆惯量;为加在小车上的力;为小车位置;为摆杆与垂直向上方向的夹角。假定各项参数为。假定系统的期望性能指标为，。FFLLPNmMxI图2.1倒立摆系统受力分析图2.2系统的数学模型推导2.2.1不考虑摩擦时的传递函数及状态方程在外力F的作用下，小车及摆杆均产生加速运动，根据牛顿第二定律，在水平直线运动的惯性力应当与F平衡，于是有：(2.1)(2.1)即：(2.2)(2.2)为了推出系统的第二个运动方程，我们对倒立摆垂直方向上的合力进行分析，可以得到下面的方程：(2.3)(2.3)即：(2.4)(2.4)力矩平衡方程如下：(2.5)(2.5)其中(2.6)(2.6)由可知：有(2.7)(2.7)代入中可得：(2.8)(2.8)因此通过整顿后的方程组为：(2.10)(2.9)(2.10)(2.9)考虑到摆杆在设定点附近做微小的振动，对上式进行局部线性化，即用做近似处理后可得：(2.11)(2.11)(2.12)(2.12)由可知：(2.13)(2.13)(2.14)(2.14)代入原式有：(2.15)(2.15)系统的传递函数为：由（2.9）式可知，代入（2.10）式中有：(2.16)(2.16)(2.17)(2.17)代入假定的参数有：模型的状态方程为：2.2.2考虑摩擦时的传递函数及状态方程考虑小车与地面之间的摩擦时有如下的方程组：推导过程同上，可得：(2.19)(2.18)(2.19)(2.18)通过局部线性化，近似处理之后有：(2.21)(2.20)(2.21)(2.20)由上式可得系统的传递函数为：(2.22)(2.22)(2.23)(2.23)由（2.22）可知，代入（2.23）式中有：(2.24)(2.24)(2.25)(2.25)代入假定的参数有：状态方程为：(2.26)(2.26)(2.28)(2.28)将上式代回到（2.26）式中有：单级倒立摆PID控制器设计与仿真3.1理论分析常规PID控制是最早发展起来的一种控制措施，由于其算法简朴、鲁棒性好、可靠性高，因而至今仍广泛应用于工业过程控制中。该措施的重要思想是:根据给定值与系统的实际输出值构成控制偏差。然后将偏差的比例(P)、积分(I)和微分(D)三项通过线性组合构成控制量，对被控对象进行控制，故称为PID控制。为了使研究更具一般性，分析倒立摆时以有摩擦的系统为主。我们已经得到了倒立摆系统的开环传递函数，输入为小车的推力。开环传递函数为：（3.1）给系统施加脉冲扰动，输出量为摆杆的角度时，系统框图如图3.1所示:控制器KD（s）控制器KD（s）对象G（s）r(s)=0e(s)+_++f(s)=Fu(s)y(s)图3.1系统控制构造框图考虑到输入r(s)=0,构造图可以很轻易的变换成图3.2所示的构造：对象G对象G（s）控制器KD（s）f(s)=Fu(s)y(s)+_图3.2系统控制构造简图该系统的输出为：3.2PID控制器的设计与仿真由式（3.1）可得推出系统的开环传递函数为：（3.2）首先，为了观测系统开环传递函数的根轨迹，可以运用Matlab对开环传递函数进行仿真，仿真程序如下：>>K=3;>>n=[100];>>d=conv(conv(conv([10],[1-2.9028]),[12.7141]),[10.0911]);>>s=tf(K*n,d);>>margin(s)通过仿真后，我们可以看到系统的Bode图如图3.3所示:图3.3未校正系统的Bode图由图可知，幅频曲线并没有穿越0dB轴，在0dB轴如下，并且相频曲线也没有穿越，可知闭环系统是不稳定的。我们运用根轨迹法来设计控制器。该措施的目的是运用根轨迹措施给系统设计一种超前—滞后装置，即PID控制器，以到达控制效果。该设计生动地反应了根据根轨迹鉴定系统性能，零极点对系统性能的影响，渐近线的多种特性等等波及到根轨迹的理论点。并且反应了怎样设计系统的校正装置。做出系统的开环传递函数的根轨迹:仿真程序:>>clear>>K=3;>>n=[100];>>d=conv(conv(conv([10],[1-2.9028]),[12.7141]),[10.0911]);>>s=tf(K*n,d);>>rlocus(s)根轨迹如图3.4所示：图3.4未校正系统的根轨迹图可以看到闭环传递函数的一种极点位于右半平面，并且有一条根轨迹起始于该极点，并沿着实轴向左直到位于原点的零点处，这意味着无论增益怎样变化，这条根轨迹总是位于右半平面，系统总是不稳定的。为了处理这个问题，在原点处增长一种极点s=0,使得原点处的零极点对消掉，运用Matlab进行仿真，仿真程序如下：>>clear>>K=3;>>n=[10];>>d=conv(conv(conv([10],[1-2.9028]),[12.7141]),[10.0911]);>>s=tf(K*n,d);>>rlocus(s)可以得到新的根轨迹如图3.5所示：图3.5加入s=0极点后系统的根轨迹图系统新的传递函数为：（3.3）这时可以清晰地发现，系统有三根渐近线，一根在负实轴上，渐近线与实轴正方向的夹角可以根据公式计算出此外两根与第一根的夹角为120度。这样两根根轨迹永远不会到达左半平面，必须通过在控制器中增长一种零点来把渐近线的数目减少到二，这时我们可以根据渐近线与实轴交点坐标公式计算出渐近线与实轴交点为，这意味着两根渐近线离开实轴的位置是（），若稍大，则零点位于右半平面，系统又不稳定，但虽然获得够小，这时渐近线与实轴交点也很靠近虚轴，根轨迹很快进入右半平面，不能满足设计规定。时进行Matlab仿真系统根轨迹如图3.6所示：图3.6加入零点后系统的根轨迹图处理这个问题的措施是在左半平面再增长一种远离其他零极点的极点，让渐近线与实轴交点更靠左，不过为了让渐近线保持在两条，且维持系统稳定，必须在左半平面再增长一种绝对值较小的零点。这样一组零极点可以运用修改Matlab中的参数来试探得到。校正装置的零点选为，极点选为。程序中使用了rlocfind函数，可以用鼠标在该图的根轨迹上选择一对位于左半平面共轭复根和负实根，即用鼠标在根轨迹上选择一点，可求得系统的增益。仿真程序如下：>>clear>>K=3;>>n=[1690];>>d=conv(conv(conv(conv([10],[1-2.9028]),[12.7141]),[10.0911]),[155]);>>s=tf(K*n,d);>>rlocus(s)>>[k,poles]=rlocfind(s)Selectapointinthegraphicswindowselected_point=-8.9929+0.3882ik=489.6894poles=0-34.2172-8.9573+0.3836i-8.9573-0.3836i-2.7705仿真后的根轨迹图如图3.7所示：图3.7校正后系统的根轨迹图由图可知，选用增益k为500时，根轨迹都在左半平面，此时对应的系统是稳定的，可求出PID函数为：（3.4）将根轨迹法设计的PID控制器代入本来系统后，可以得到校正后系统的Bode图如图3.8所示：图3.8校正后系统的Bode图可知此时相频曲线正穿越的线一次，即R=1，未校正系统有一种位于右半平面的极点，即P=1，因此闭环系统的不稳定极点数Z=P-R=0，也可知校正后的闭环系统是稳定的。将式(3.4)代入本来系统中，在Simulink环境下作出系统的构造图如图3.9所示：图3.9系统模拟仿真图给系统加入一种阶跃扰动，通过示波器显示可得到系统输出波形如图3.10所示：图3.10加入阶跃扰动时输出的波形由图可知，系统的调整时间，超调量，可知校正后的系统满足了设计指标。现代控制理论在控制倒立摆系统中的应用4.1状态空间极点配置法4.1.1理论分析1.概述由之前的分析得出，该倒立摆系统是一种单输入多输出的控制系统，需要设计一种对倒立摆本体和小车位移同步进行控制的控制器。根据开环系统的特性方程可知未校正系统的开环极点为:2.9028、-2.7141、-0.0911。系统有一种极点2.9028位于S平面右半平面，根据系统稳定性条件知该系统是不稳定的。根据系统的状态空间方程和极点配置法，设计出状态反馈矩阵K以实现对系统的控制。2.极点配置的原理阐明所谓极点配置就是运用状态反馈或输出反馈使闭环系统的极点位于所但愿的极点位置。由于系统的性能和它的极点位置亲密有关，因而极点配置问题在系统设计中是很重要的。要注意配置的条件：运用状态反馈任意配置闭环极点的充足必要条件是被控系统可控。期望极点的配置重要是根据零极点对系统的影响来进行选用的，再根据设计者的经验（参照网上的资料）相结合进行选用的。4.1.2状态空间极点配置法的设计及仿真首先对被控对象进行可控性、稳定性检查。已知有：运用Matlab判断系统的可控性：仿真程序如下：>>clear>>A=[0100;0-0.0945-0.71780;0001;00.073177.89580];>>B=[0;1;0;-0.7317];>>s=[B,A*B,A^2*B,A^3*B];>>rank(s)ans=4可知系统是可控的。由之前的分析可知倒立摆系统是一种不稳定的系统，系统有一种极点2.9028位于S平面右半平面，根据系统稳定性条件知该系统是不稳定的。采用状态反馈措施可使系统稳定并配置极点。状态反馈控制规律为：，（其中分别为反馈至的增益）引入状态反馈后，系统的状态方程变为：全状态反馈系统为稳定闭环系统，当参照输入为零时，状态向量在初始扰动下的响应将渐进的衰减至零，这时摆杆和小车都会回到它的初始位置，即。假设期望极点为，运用Matlab求出系统的反馈矩阵k。仿真程序如下：>>clear>>A=[0100;0-0.0945-0.71780;0001;00.073177.89580];>>B=[0;1;0;-0.7317];>>p=[-2-3-2+1i-2-1i];>>k=place(A,B,p)k=-4.0702-6.7743-58.8387-21.4292求出状态反馈增益，将反馈增益代入本来系统中并运用Matlab来进行仿真。仿真程序如下：>>clear>>A=[0100;0-0.0945-0.71780;0001;00.073177.89580];>>B=[0;1;0;-0.7317];>>C=[1000;0010];>>D=[0;0];>>k=[-4.0702-6.7743-58.8387-21.4292];>>AA=A-B*k;>>BB=B;>>CC=C;>>DD=D;>>t=0:0.1:10;>>[y,x]=initial(AA,BB,CC,DD,[0.100.10],t);>>plot(t,y);>>grid仿真图如图3.9所示：图4.1经极点配置后系统的响应曲线由图4.1可知，经极点配置后的系统输出已基本满足设计的规定，状态反馈可以使处在任意初始状态的系统稳定在平衡状态，即可将状态变量及稳定在零状态。这就意味着在初始状态或因存在外界干扰时，摆杆稍有倾斜或小车偏离基准位置导轨中心，依托该状态反馈控制也可以使摆杆垂直竖立，并使小车保持在基准位置。相对平衡状态的偏移，得到迅速修正的程度要依赖于指定的特性根的位置。一般来说，将指定的特性根配置在原点的左侧，离原点越远，虽然需要更大的控制力，不过系统到达稳定的时间越短，即控制动作就越迅速，敏捷度高。根据期望极点设计的倒立摆系统的动静态性能很好，系统大概在4s内即可到达稳定，过度过程时间较短，超调量也不大，各控制量的大小都比较合理。4.2基于LQR的倒立摆最优控制系统研究4.2.1理论分析1.概述倒立摆系统是一种经典的非线性、不稳定的被控对象，它作为现代控制理论或教学的试验装置是非常经典的。倒立摆系统的控制问题被公认为控制理论中的一种经典问题，许多新的实时控制理论都通过倒立摆控制试验来加以验证。线性二次型调整器（LinearQuadraticRegulator—LQR）问题在现代控制理论中占有非常重要的位置，受到控制界的普遍重视。线性二次型（LQR）性能指标易于分析、处理和计算，并且通过线性二次型最优设计措施得到的倒立摆系统具有很好的鲁棒性与动态特性以及可以获得线性反馈构造等长处，因而在实际的倒立摆控制系统设计中得到了广泛的应用。不过在使用该措施时，最优控制的效果取决于加权阵和的选用，假如和选用不妥，则也许使求得的解不能满足实际系统的性能规定，就更谈不上“最优”了。通过倒立摆LQR最优控制系统设计与研究，并从实际控制效果出发，找出系统的动态响应与加权阵和之间的变化规律，并应用于实际的系统当中。2.LQR措施的原理设给定线性定常系统的状态方程为(4.1)(4.1)(4.2)(4.2)二次型性能指标函数：(4.3)(4.3)其中：为维状态向量，为维输入向量，为维输出向量,,,,分别是,,,维常数矩阵。加权阵和是用来平衡状态向量和输入向量的权重，是半正定阵即：,阵是正定阵即：。假如该系统受到外界干扰而偏离零状态，应施加怎样的控制，才能使得系统回到零状态附近二同步满足到达最小，那么这时的就称之为最优控制。由最优控制理论可知，使式(4.3)获得最小值的最优控制律为:(4.4)(4.4)式中就是Riccati方程的解，是线性最优反馈增益知阵。这时只需简朴的求解代数Riccati方程:(4.5)(4.5)就可获得值以及最优反馈增益矩阵值。(4.6)(4.6)4.2.2LQR控制器的设计与仿真一般来说，和都取为对角阵。目前确定加权知阵和的普遍措施是仿真试凑法，该措施的基本原理是:首先进行分析初步选用和，通过计算机仿真判断其与否符合设计规定，假如符合规定则停止仿真，目前的和值就是实际控制系统所需要的，然后运用计算机可非常以便地求出最优增益矩阵，并把代入到实际系统的控制器参数中，这样就完毕了控制器的设计。假如不符合规定，则须重新选用和值并反复进行，直至符合实际系统的性能指标规定为止。通过反复选用和后，决定取，。先运用Matlab来求取系统的反馈矩阵K。仿真程序如下：>>clear>>A=[0100;0-0.0945-0.71780;0001;00.073177.89580];>>B=[0;1;0;-0.7317];>>Q=[1000000;0000;00700;0000];>>R=1;>>[K,P,E]=lqr(A,B,Q,R)K=-31.6228-31.5189-167.4966-61.3534P=1.0e+003*0.99080.49191.94020.71550.49190.29541.20970.44681.94021.20975.11381.88210.71550.44681.88210.6945E=-4.0481+3.9542i-4.0481-3.9542i-2.6858+0.2546i-2.6858-0.2546i可知求出的，将求得的反馈增益矩阵代入本来的系统中并运用Matlab进行仿真，仿真程序如下：>>clear>>A=[0100;0-0.0945-0.71780;0001;00.073177.89580];>>B=[0;1;0;-0.7317];>>C=[1000;0010];>>D=[0;0];>>k=[-31.6228-31.5189-167.4966-61.3534];>>AA=A-B*k;>>BB=B;>>CC=C;>>DD=D;>>t=0:0.1:10;>>[y,x]=initial(AA,BB,CC,DD,[0.100.10],t);>>plot(t,y);>>grid仿真后如图4.2所示：图4.2LQR控制的响应曲线由图4.2可以看出，系统拥有很好的抗扰能力，受到扰动后可以很快的恢复稳定，调整时间，小车的超调量与摆角的超调量都很小，因此可知LQR措施设计出的系统满足了性能指标。由以上的分析可知，在3种控制措施中，常规PID控制的效果比较差，并且只能控制摆角。究其原因，重要是由于常规PID控制器实质上是一种线性控制器，因此对于像倒立摆这样的非线性、绝对不稳定系统，这种措施在控制效果上显得明显局限性。同步，由于PID控制器的3个参数(比例、积分、微分系数)较难选用，且较多依托经验，并且，虽然选择好一组参数可以控制住倒立摆，但当系统性能发生变化或者碰到干扰后，预先整定好的参数又显得无能为力。而最优控制可以比很好地控制住倒立摆，且响应速度较快，超调量较小，还可以保持稳态误差为零。结论倒立摆系统就其自身而言，是一种多变量、迅速、严重非线性、不稳定系统，必需采用有效的控制法使之稳定，对倒立摆系统的研究在理论上有着深远的意义。数年来，人们对倒立摆的研究越来越感爱好，倒立摆的种类也由简朴的单级倒立摆发展为多种形式的倒立摆系统，这其中的原因不仅在于倒立摆系统在高科技领域的广泛应用，并且新的控制措施不停出现，人们试图通过倒立摆这样一种严格的控制对象，检查新的控制措施与否有较强的处理多变量、非线性和不稳定系统的能力。因此，倒立摆系统作为控制理论研究中的一种较为理想的试验手段一般用来检查控制方略的效果。本文以一级倒立摆试验装置为平台，首先概述了倒立摆研究的现实状况，并用分析力学措施推导了单级倒立摆的动力学模型，给出其状态空间方程，运用经典控制理论及现代控制理论措施分析了系统的稳定性，得出倒立摆系统是一种不稳定的系统，且可控可观。另一方面，研究了倒立摆系统的三种控制方略，即:PID控制措施、极点控制措施、LQR控制措施，并分别设计了对应的控制器，以Matlab/Simulink为基础，做了大量的仿真研究，看到了多种控制措施的效果:1.PID控制器控制构造简朴，但效果稍差，振荡比较厉害，究其原因，重要由于常规PID控制器实质上是一种线性控制器，只合用于单输入单输出的系统。同步，由于PID控制器的三个参数较难选用，且较多依托经验，并且，虽然选择好一组参数可以控制住倒立摆，但当系统性能发生变化或者碰到很大干扰后，预先整定好的参数又显得无能为力。2.最优控制措施响应速度较快，超调量小，还可以保持稳态误差为零，控制效果很好，而它的局限性在于其控制器的反馈控制矩阵在开始前已经确定，控制中无法进行调整，不具有自适应能力。最终，借助MATLAB实时控制软件试验平台，运用设计的控制措施(PID和最优控制)对单级倒立摆系统进行了实时仿真试验，通过对系统产生一定的扰动或在初始状态不为零的状况下，整个系统均能在很短的时间里恢复平衡，获得了很好的实时控制效果。倒立摆系统是验证多种控制算法的工具，同步倒立摆实物系统的控制研究与计算机控制技术又密不可分。由于时间关系，论文只是对倒立摆系统控制措施进行了很小范围的探索，本文在如下几方面内容有待近一步深入和完善。首先，鉴于倒立摆系统属于严重非线性系统，研究非线性控制措施在倒立摆控制中深入的应用。此外考虑到微分几何措施在计算量方面的规定，对于计算机算法上要作深入的改善。另一方面，进行平面一级倒立摆的实物试验，验证经典控制以及最优控制与否可以实现平面一级倒立摆的稳定控制，通过试验数据来深入验证控制措施的对的性以及可行性。最终，对非线性观测器存在性、适应性及对某类型系统针对性的改善,都是通过将这些观测器