作为一个自然不稳定系统,倒立摆一直被用作实时控制系统实验的控制设备。通过对它的研究不仅可以解决控制中的理论问题,还能将控制理论涉及的三个主要基础学科:力学、数学和电学(包含计算机)进行有机的综合应用。此外,在近代机械控制系统中,如航空航天上直升飞机、火箭发射、卫星发射及生活中的做体操、花样滑冰、单轮骑车等等,都存在类似于倒立摆的稳定控制问题。因此实现倒立摆系统稳定控制的研究对实际工程和现实生活有非常重要的意义。 本文首先对倒立摆的背景和研究现状作了总体介绍,简要的阐述了常见的控制算法。利用牛顿第二定律及相关的动力学原理建立二级倒立摆的数学模型,对小车和摆分别进行受力分析,并采用等效小车的概念进行线性化处理,并运用线性系统理论分析了这个系统的能控性,提出了应用状态反馈理论,通过极点配置实现对倒立摆的控制。 在此基础上建立了一个基于单片机系统实现对倒立摆的稳定控制。这个单片机系统包括反馈通道、控制通道、和单片机控制三部分。接着介绍了这个系统的软件设计思路和流程图。并讨论了倒立摆系统的非线性因素和干扰因素,以及对电路设计时应注意的问题。 最后作了模型预测控制算法在二级倒立摆控制系统中的应用研究。采用误差逆传算法,对倒立摆神经网络模型辨识,建立其神经网络模型。在此基础上,把预测控制算法应用于倒立摆控制系统。