基于MATLAB/Simulink的倒立摆全状态观测器设计与仿真系统开发

资 源 简 介

本项目利用MATLAB进行倒立摆系统状态空间建模及全状态观测器设计，通过Simulink构建实时仿真系统。系统能够基于部分测量状态（如摆杆角度）精确估计倒立摆的全部状态变量，为控制系统设计提供完整状态反馈。

详 情 说 明

基于MATLAB/Simulink的倒立摆全状态观测器设计与仿真系统

项目介绍

本项目实现了一个针对倒立摆系统的全状态观测器设计与仿真平台。通过MATLAB进行状态空间建模和龙伯格观测器设计，在Simulink中搭建完整的仿真系统，能够仅通过部分测量状态（如摆杆角度或小车位移）实时估计倒立摆的全部状态变量。该系统可用于验证观测器在不同控制策略下的估计性能、收敛速度以及抗干扰能力。

功能特性

• 状态空间建模: 基于倒立摆物理参数建立精确的线性化状态空间模型
• 全状态观测器设计: 采用龙伯格观测器设计方法，计算最优观测器增益矩阵
• 多场景仿真验证: 支持不同初始条件、控制输入和噪声干扰下的仿真测试
• 性能量化评估: 提供观测误差分析、收敛性评估等量化指标
• 鲁棒性测试: 可模拟系统参数变化和传感器噪声对观测性能的影响

使用方法

1. 参数配置: 在MATLAB中设置倒立摆的物理参数（小车质量、摆杆质量、长度、摩擦系数等）
2. 系统建模: 运行建模脚本生成倒立摆的状态空间表达式
3. 观测器设计: 根据可测状态配置计算观测器增益矩阵，确保观测器极点配置合理
4. 仿真运行: 打开Simulink模型，设置仿真参数并运行仿真实验
5. 结果分析: 查看状态估计对比曲线、观测误差图及性能评估指标

系统要求

• MATLAB R2018b或更高版本
• Simulink仿真环境
• Control System Toolbox（控制系统工具箱）

文件说明

主程序文件实现了倒立摆系统的核心建模与观测器设计功能，包括系统参数初始化、状态空间模型建立、能控性与能观性分析、龙伯格观测器增益矩阵计算以及仿真结果的可视化展示。该文件作为项目的入口点，协调完成从系统建模到性能评估的完整流程。