本系统以深圳固高倒立摆控制系统为基础，通过对直线一级倒立摆系统的工作原理、硬件系统及控制软件结构的分析研究，完成对系统数学模型的建立、PID控制和模糊控制算法及其在倒立摆系统应用的研究。
设计内容主要为：  
1.  分析系统组成及工作原理和绘出系统原理框图；
2.  建立一级倒立摆系统的数学模型；   
3.  模糊控制器设计、MATLAB仿真；
4.  完成文献综述、开题报告及毕业设计说明书的撰写工作。
本文只使用图形用户界面(GUI)来建立模糊系统。在模糊逻辑工具箱中有5个基本工具GUI工具用于建立、编辑和观察模糊推理系统(FIS)，它们分别是模糊推理系统(或FIS)编辑器、隶属度函数编辑器、规则编辑器、规则观察器和曲面观察器。这些GUI工具之间是动态链接的，使用它们中的任意一个对FIS的修改将影响任何其它已打开的GUI中显示结果。你可以使用任意一个或所有的GUI，打开任意给定的系统。
倒立摆系统是一个非线性、强耦合、多变量和自然不稳定的系统，控制过程中的许多关键问题，如镇定问题、非线性问题、鲁棒性问题、随动问题以及跟踪问题等都可以用倒立摆为例加以研究。倒立摆系统通常用来检验控制策略的效果，是控制理论研究中较为理想的实验装置。
本文主要对古典控制理论、现代控制理论、人工智能控制、直线一级倒立摆的模型的建立、模糊控制算法、模糊控制及仿真进行了研究。对应于传统的控制控制方法，本文采用了模糊控制方法，对模糊控制原理及模糊控制器有了较深入的研究。采用MATLAB仿真软件的FIS Editor来建立模糊控制器，然后利用Simulink建立系统的结构图来实现对倒立摆系统的控制，采用了示波器Scope对倒立摆的各个变量进行了波形的显示，直观地显示了控制的效果。
虽然模糊控制、神经网络控制、遗传算法等智能控制方法己取得很大的发展并被越来越多地应用于实时控制问题，但是由于PID控制器具有结构简单，鲁棒性和适应性强且易于实现等优点，仍被广泛应用于大多数工业过程中，在工业过程中采用高级控制技术的控制回路只占总数的10%左右[18]。这主要是因为作为智能控制理论的模糊逻辑和神经网络等存在着很多不成熟的地方。因此将二者分别与具有成熟理论体系的PID技术相结合无疑是其理论发展的一个重要方向。
由于对倒立摆系统的研究都是目前比较热门的研究对象，并且它是研究控制理论的最好的工具，因此使我更加觉得其重要性和良好的发展前途。目前中国对倒立摆系统的研究己经领先于世界其它国家，所以它更需要更多有关的学术人员极大的热情投入到这一研究领域中去，为控制理论的发展做出贡献。
 
目录
摘要 Ⅰ
AbstractⅡ
第1章  绪论1
1.1 倒立摆系统研究的理论意义和工程背景1
1.2 倒立摆系统的基础理论和控制方法2
第2章  倒立摆系统4
2.1 倒立摆系统概述4
2.2 倒立摆系统的硬件组成4
2.3 倒立摆系统的控制软件6
第3章  倒立摆的数学模型10
3.1 系统建模的重要性10
3.2 直线一级倒立摆的牛顿—欧拉方法建模10
3.2.1 微分方程的推导10
3.2.2 传递函数12
3.2.3 状态空间方程13
第4章  PID 控制算法的设计14
4.1 PID 控制原理14
4.2 PID 控制器的参数整定15
4.2.1 PID控制器参数对系统性能的影响15
4.2.2 采样周期 的选择原则16
4.3 PID 控制算法设计17
第5章  模糊控制的数学基础20
    5.1 模糊集合论20
5.1.1 模糊集合的定义20
5.1.2 模糊集合的表示方法20
5.1.3 模糊集合的并、交、补运算20
5.1.4 模糊集合的隶属函数21
5.2 模糊关系及合成22
5.2.1 模糊关系的定义22
5.2.2 模糊关系的合成23
5.3 模糊推理23
5.3.1 模糊逻辑23
5.3.2 模糊逻辑的基本运算23
5.3.3 模糊语言和模糊算子23
5.3.4 模糊推理24
第6章  模糊控制原理及模糊控制器27
    6.1 模糊控制的工作原理27
6.1.1 模糊控制系统组成27
6.1.2 模糊控制系统的优点28
6.2 模糊控制器设计的基本方法28
6.2.1 模糊控制器的结构设计29
6.2.2 精确量的模糊化过程29
6.2.3 模糊控制规则的设计30
6.2.4 精确化过程32
6.2.5 论域、量化因子和比例因子的选择33
6.2.6 模糊控制查询表及模糊控制算法流程图35
6.3 模糊控制的设计37
6.3.1 模糊控制器的结构设计37
6.3.2 模糊语言变量的确定37
6.3.3 模糊语言变量的隶属度函数的确定37
6.3.4 模糊控制规则和模糊关系的确定39
第7章  仿真实验41
7.1 常规PID控制仿真41
7.2 倒立摆模型的仿真44
7.2.1 MATLAB模糊逻辑工具箱44
7.2.2 倒立摆模型的仿真结果及分析45
总  结49
参考文献50
致  谢51
 

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