直线一级倒立摆的PID控制方法研究_姜海燕1
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第 37卷 第 6期
2019年 6月
河 南 科 学
HENAN SCIENCE
Vol.37 No.6
Jun. 2019
收稿日期：2019-03-04
基金项目：2016年湖南省教育厅科学研究项目（16B176）；2018年湖南省教育厅科学研究项目（18C1527）
作者简介：姜海燕（1984-），女，讲师，硕士，主要从事自动化仪表、信号处理与模式识别方面的研究
文章编号：1004-3918（2019）06-0908-06
直线一级倒立摆的 PID 控制方法研究
姜海燕
（湖南铁道职业技术学院 轨道交通电务技术学院，湖南 株洲 412001）
摘 要：直线一级倒立摆控制系统是控制理论研究的典型实验平台之一，它具有非线性、不确定性和开环不稳定
性等特点 . 首先对直线一级倒立摆系统进行分析，建立其数学模型；其次由系统的传递函数设计出该系统的 PID控
制器；然后通过 MATLAB 仿真软件中的 M 模块建立其该系统的 PID 控制器模型；最后通过调节合适的 PID 参数来控
制直线一级倒立摆系统的平衡性，并通过其响应曲线来验证所提出的算法和模型的正确性.
关键词：倒立摆；PID控制器；MATLAB；数学模型
中图分类号：TH 137；TP 206
+
.3 文献标识码：A
PID Control Method of Straight Line Inverted Pendulum
JIANG Haiyan
（College of Rail Transit Electric Technology，Hunan Railway Professional Technology College，Zhuzhou 412001，Hunan China）
Abstract：The linear inverted pendulum control system is one of the typical experimental platforms for the control
theory research. It is characterized by nonlinearity，uncertainty and open-loop instability. In this paper，the linear
inverted pendulum system is analyzed first，and the mathematical model is established. The PID controller is
designed by the transfer function of the system，and the PID controller model of the system is established by the M
module in the MATLAB simulation software. Finally，the balance of the linear inverted pendulum system is
controlled by adjusting the appropriate PID parameters，and the correctness of the proposed algorithm and model is
verified by its response curves.
Key words：inverted pendulum；PID controller；MATLAB；mathematical model
倒立摆系统是一种典型的非线性、强耦合、多变量和自然不稳定的系统，也是高校的典型试验设备之
一 . 在整个的控制过程中，倒立摆系统能有效地反映某些关键问题，如：系统的镇定性、鲁棒性、随动性和跟
踪等关键问题 . 许多专家和学者利用直线一级倒立摆系统来检验各种控制理论与算法的正确性 . 因此，直
线一级倒立摆系统广泛应用于控制理论科学研究中
［1-9］
.
倒立摆的控制策略与杂技运动员顶杆平衡表演的技巧极其相似，极富趣味性 . 因此，很多抽象的控制理
论如：系统的稳定性、可控性和系统的抗干扰能力等等，都能通过实验室的倒立摆装置直观地模拟出来 . 所
以，一直以来该系统很受自动控制学者的青睐 . 然而，PID 控制器具有原理简单、使用方便、适应性强、鲁棒
性好和可靠性高等优点，恰好解决了直线一级倒立摆的一系列特性 . 而且 PID 控制器算法也广泛应用于各
种控制和机械领域
［10-15］
，文献［16］利用灰预测模型 PID 复合控制器来控制系统负载模拟器加载系统的力矩
跟踪精度，提高了该系统的抗干扰能力 . 文献［17］提出了模糊 PID 控制策略的试验台加载控制方法，提高了
试验台的输出加载力的响应速度 . 文献［18］将滑膜变结构控制器应用于直线一级倒立摆系统中，有效地抑
制了直线一级倒立摆控制系统的参数震动引起的扰动和外加干扰，成功地控制了该倒立摆系统 . 文献［19］
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