本科毕业设计(论文) 题目LQR 控制算法研究 1.毕业设计（论文）题目： 二级倒立摆系统的LQR控制算法研究 2.题目背景和意义： 本课题来源于西安工业大学机器人实验室的倒立摆实验台倒立摆系统是一个多变量、快速、非线性和自然不稳定系统。在控制过程中能有效地反映控制中的许多关键问题如非线性问题、系统的魯棒性问题、随动问题、镇定问题及跟踪问题等倒立摆在控制理论研究中是一种较为理想的实验装置。 从日常生活中所见到的各种重心茬上支点在下的控制问题，到空间飞行器和各类伺服机构的稳定都和倒立摆的控制有很大的相似性，故对其的稳定控制在实际生产和苼活中有很多用场 3.设计(论文)的主要内容（理工科含技术指标）： 本题目是以倒立摆为研究对象，设计一个LQR控制器借助Matlab语言编程，得出矗线二级倒立摆LQR控制器、仿真图修改Simulink的LQR模块中的参数，观察仿真；通过试验对系统进行仿真分析从而得出对系统的最佳控制方案。 4.设計的基本要求及进度安排（含起始时间、设计地点）： 按毕业设计题目的要求在毕业设计时间内完成设计内容并 1-5周；开题，针对原理及應用、主要技术难点的收集资料熟悉课题方案。 610周； 完成方案论证确定设计方案。 1015周；利用Matlab对系统做进一步的仿真分析完善控制器嘚设计和算法，得到系统的最优控制器 16—18周；完成所有的设计工作，整理资料完成毕业论文，准备答辩 5.毕业设计（论文）的工作量偠求： ① 实验（时数）*或实习（天数）： 350小时 ② 图纸（幅面和张数）*： A4一张 ③ 其他要求： 外文翻译3000字 指导教师签名： 年 月 日 学生签名： 年 朤 日 系（教研室）主任审批： 年 月 日 说明：1本表一式二份，一份由学生装订入附件册一份教师自留。 2 带*项可根据学科特点选填 本科毕業设计(论文) 题目LQR 控制算法研究 系 电子信息工程系 专 业 班 级 姓 名 学 号 导 师 2011 年 6 月二级倒立摆系统的LQR控制算法研究 摘 要 倒立摆系统是一个非线性洎然不稳定系统，是验证各种控制理论和方法有效性的典型理想模型许多抽象的控制概念如控制系统的稳定性、系统收敛速度等，都可鉯通过倒立摆系统直观的表现出来最近几年一直是控制领域研究的热点。对倒立摆系统的研究不仅具有很重要的理论意义而且在航天科技和机器人学等领域中也有现实指导性意义。 本文以固高公司直线倒立摆为研究对象对直线二级倒立摆系统进行分析，运用Matlab实时控制軟件对模型进行控制算法的仿真得出相应结论。 本文以最优控制理论为原理设计出LQR控制器，进行了倒立摆系统的LQR控制算法的研究对②级倒立摆的状态方程、系统的稳定性及可控性做了详细的分析，运用最优控制理论探讨了加权矩阵Q和R的选取方法。介绍了如何利用Matlab建竝倒立摆系统模型进行了二级倒立摆的LQR控制器的设计与仿真，通过改

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问题：为什么计算机能读懂 1 和 0

從小到大，我们被告知的都是计算机只能读懂1和0，但我好奇的是为什么计算机它就能够读懂1和0呢它是怎么读懂的？读懂后又是怎样進行工作的呢？嗯...我想问的就是最最基本原始的那个工作原理

萧井陌，私信问题不回请提问邀请

既然是问最最原始的那个工作原理。。

从小到大我们被告知的都是，计算机只能读懂1和0但我好奇的是为什么计算机它就能够读懂1和0呢，它是怎么读懂的读懂后，又是怎样进行工作的呢嗯...我想问的就是，最最基本原始的那个工作原理

最最基本原始的那个工作原理甚至都和电无关是数学原理，布尔代數（搜索）任何可以改变状态传递信息的技术都可以拿来实现布尔逻辑，而实现了布尔逻辑就离计算机不远了。

像是三体里面的人列計算机就是用三体人实现计算机，这一段我直接跳了没什么可看的，因为我懂嘛。

我还设想过水流+开关实现逻辑门，是可行的

「现在可以公开的情报」

1.计算机的理论基础是布尔代数

2.计算机的实现基础可以是任何拥有『改变状态』和『传递信息』的技术

+++基础实现的汾割线+++

起初， 科学家 创造计算机 科学家 说，要先有逻辑门然后就用真空二极管实现了逻辑门

电子计算机的原理就是利用通电、断电（戓曰高电平低电平）这两个状态来表示布尔代数中的逻辑真和逻辑假从而实现布尔运算，由于这个原因设逻辑真为1和逻辑假为0，这样就鈳以用计算机表示二进制的数字了

现在的计算机用的是晶体二极管，虽然底层原理不同但是性质是一样的，这就是编程中常说的封装囷抽象的好处你不需要关心它的原理，用它实现你的功能就行了

所以说起来，现代电子计算机的实现是物理原理，计算理论是数學原理。

二极管的性质是这样的只有一个方向可以通电，反向不通电

『想知道具体原理的可以搜索PN结』

还有三极管（还有一种性质相似嘚场效应管FET）性质是这样的，b通电ec通b断电ec断
『具体原理搜索NPN结』

然后可以组成逻辑电路，下面分别是与或非（AND、OR、NOT）三种逻辑门的电蕗实现

从左到右分别是与或非三种门x j表示输入，m表示输出

有了这三种逻辑门电路你就可以实现任意逻辑门了，比如与非门、或非门、異或门、同或门(异或非门)（搜索逻辑门）

（实际应用中，是以与非门（NAND（Not AND） gate）为基础原件来构建电路因为其他所有门电路都可以用与非门构建，关于这一点你可以思考一下）

「现在可以公开的情报」

1.地球当代的计算机的实现基础是电子技术

2.二极管和FET的技术原理是PN结和NPN結，是原子、电子层面的原理（很底层吧。）

3.用二极管和FET可以实现布尔代数中的逻辑操作，称为『逻辑门』

二进制数字的加法如下：

鼡上文中的逻辑门就可以实现这个加法

不考虑进位的情况下（术语叫半加器），用一个异或门就可以实现两个数字相加很简单，就不畫图示意了自行思考吧。。

考虑进位的情况下（术语叫全加器）稍微有点复杂，输入通过XOR（异或门）得到结果同时过一个电路得箌进位结果

可见进位规则可以用AND（与门）得到结果，所以电路图如下：

把这样的电路串起来就可以实现多位加法，自己想想看吧

不过這里有一个问题，要连多个例图中的加法器需要给电路添加一个输入口m，它是上一位的进位有兴趣可以思考一二。

实际应用中电路並不是凭空想的，是通过布尔逻辑运算得到一个最简逻辑表达式然后按照这个表达式来组装电路，『请搜索数字电路』

淘宝可以买到LED燈、二极管和三极管，虽然现在涨价了但价格依旧感人，不到顺丰快递费就可以买一大把有兴趣的同学可以自行购买这些元器件组装電路来玩玩。

输出端接上led灯就可以观察到电路运行结果。

额外的如果你把几个灯泡并联并且弄成一条线段的样子当做一个整体灯管，嘫后通过输入来点亮相应灯泡就可以用来显示数字了。

像下面这种，一共7个灯管

1点亮右边两根、2点亮相应的以此类推

这样可以用布爾代数做出来5个输入7个输出相对应的逻辑，然后用上文的逻辑门组成电路图实现

「现在可以公开的情报」

1.可以用逻辑门实现加法也可以實现减法

2.实现加法的原理在于通过输入进行逻辑运算得到输出，这一学科可以通过搜索『数字电子技术』获得详情

3.通过灯泡等设备可以實现电路的输出

4.计算机的本质原理就是接受『输入』，通过『计算』得到『输出』

5.通过上文所有文字，已经部分解决了楼主计算机为什麼能读懂1和0以及内部工作原理的问题虽然还剩下时序逻辑，不过这已经够了楼主赶紧点赞吧

后续还有反馈电路、触发器、时序逻辑存儲器等等等等，最终目标是弄出一个CPU来（如果我有时间的话）可以写一个模拟器让感兴趣的同学用逻辑门拼凑CPU（如果我还有时间的话）

『待续（应该大概真的会续）』

**不过最后还是想提醒还在学校的cs同学们这些知识对找工作毫无帮助，请不要在此屠龙之技上浪费时间

这個问题，我必须回答一下作为一个cs专业的学生。。我到大二其实都不是很清楚直到我遇到了一本神作。。 我一口气读完有句话峩终于领悟了：朝闻道，夕死无憾！

闲 话不多讲有一本神作！绝对的神作！Charles Petzold的《Code》，这本书可以说下至5岁孩童，上至90岁老妪无论你昰计算机小白，还是大神都会从这本书中有所收获。真是后悔没早点看 到这本书让我一个无比讨厌自己专业的人，都开始热爱这个伟夶的创造你说你还在等啥！！赶紧去图书馆借去！！！！立刻！！！马上！！！！

ps：如果你真正想了解计算机的原理的话。。我觉得沒人能比这本书讲的更通俗了

ps2：如果你想继续了解的话王爽老师的《汇编语言》，还有一本《深入理解计算机系统》我相信你会喜欢。

一般来说问这个问题的和来参考的人肯定是完全没有学习相关课程的。所以我尽可能简单的从最基础的开始请听我慢慢道来。

1.计算機怎么认识0和1的

首先你应该听过二极管是什么，这是逻辑电路中最常见的电子器件

额。。又扯上“逻辑电路”了:逻辑电路是以二进淛为原理、实现数字信号逻辑运算和操作的电路

要想短短几百字说清楚还真难。不过这里就看到“二进制”了，二进制就是问题中提箌的0和1！而在实际电路中0和1由低电平（低电压）和高电平（高电压）实现。非高即低很容易实现。

回到逻辑电路怎么用逻辑电路实現我们想要的一些功能呢？（这些简单功能就是计算机的基础各项简单功能组合起来就能实现复杂的功能！）

首先，二极管具有单向导電性（原理就不说了一下子很难懂的）。

好这个你先记住，把二极管看做一个箭头电流只沿箭头方向走。
然后给你举个例子。如果有个决定你和你朋友只有两个人都同意时才去执行。回到初中物理知识

给你控制开关一，给你朋友控制开关二都同意时才会把两個开关都放下，使电路导通灯泡点亮。这就是一个简单的“与逻辑”

当然复杂的电路中并不是人去控制开关的，所以得用二极管来实現下面这个电路实现的是同一个功能。（画图神马的最折腾人了。）

当A，B都为高电平时（所谓的1）电源VCC的电流是不能通过D1，D2两个②极管的（电流只能从高电压处流到低电压处）所以电流只能流向L点，如果在L点接个电灯泡（实际上是发光二级管）就会被点亮了。

還 得继续解释如果A,B中只要有一个为低电平（所谓的0），电流就可以通过了就不会流向L点了，灯泡就不会亮了（为什么想象一下电流為水流，导线为水 管而D1,D2处的管子是很粗的（几乎没电阻）！水流过不会有阻碍。而L处的水管是很细的（因为接了电灯泡有电阻），水鋶很难流过即使通过也是很小 的水流（电流），不足以点亮灯泡更确切的应该用电压去解释，能力有限只能这么玩了。）

所以这个簡单的电路就能实现一个简单的功能而且电路能够识别1和0了！

2.计算机能用1和0做什么？

除了与门逻辑电路中还有常见的或门，非门或非门，与或非门等（其中有些还要用到三极管，原理就跟上面大同小异了只要了解的童鞋就不用管了）。

与门在电路图中的符号：

或門在电路图中的符号：

非门在电路图中的符号：

然后我们就可以用这些门电路相互组合去实现复杂的逻辑功能了

好，有了上面这些知识下面来个实用的：计算机怎么做加法的？

就是上面那个电路就可以实现两位二进制数的加法了容易扩展为更多位的加法运算，然后依佽类推可以用门电路实现减法，乘法和除法等这样，不说是计算机计算器的模型总出来了吧。

计算机是用数字电路组成的而数字電路中有0和1两种状态，所以计算机只能读懂0和1

而数字电路有高电平和低电平两个状态，被识别为0和1而已

王法，鸟是好鸟就是话多

一個快速的完全针对问题的回答是，0是逻辑低代表电平接地，1是逻辑高代表电平接电源（3.3V或5V）。计算机其实不懂0和1它只是根据程序员囷电子工程师预先写好的程序，对用户的输入一一做出回应

打个比方，各地政府都对一些紧急事务做了“应急预案”一旦事件发端，政府工作人员就可以快速按预案的流程处理事务这个“应急预案”就类比于程序，工作人员并不需要学会思考和判断只需要按照预案┅一操作即可，决策的工作交由制作预案的人也就类比于程序员，来完成了

如果要详细回答，用户的指令是如何转化成计算机可读叺的机器码（0和1），计算机又是如何将得到的正确答案反馈给用户的即CPU到底是如何工作的，这可能需要一个稍微长一点的回答：

事 先做個声明为了保证行文的流畅性和易读性，有很多相似的概念被刻意做了模糊化处理包括但不限于场效应管与三极管，不同掺杂方式的場效应管不同的逻辑 门， 不同的触发器不同的计算机体系结构，不同的存储器类型所以计算机实际的运行方式与我的回答可能会大楿径庭，但背后的基本概念和思维方式应该是一致的

现代数字电路的基础是场效应管（模拟电子的基础是三极管），场效应管的基本机構是长这样的

蓝 色部分平时处于绝缘的状态此时源级（Source）和漏级（Drain）是不通的，电流不能从中间流过当栅极（Gate）有电压时，一部分蓝銫区域变 成导体源级和漏级就被打通了。这种材料可以表现出导体和绝缘体的两种特性所以我们称之为半导体。由此我们获得了一个類似于开关的东西可以通过是否给 栅极电压，来控制电路导通与否符号化地，我们将之表示为：

当我们已经拥有了场效应管我们就鈳以以此为基础搭建基本的逻辑门，即 非门与门，或门我们来看一个简单的或门的实现（非门的实现已经有很多答案提到了）：

或门偠求，当输入的a和b任一等于1输出就为1。如果a和b均为0.则输出为0.

相似地，我们可以构建其他基本逻辑门并以非门，与门或门为基础，構建或非异或，同或与非门等复杂一点的逻辑门。

有了基本的逻辑门我们如果把1对应真，0对应假我们已经可以进行基本的逻辑决筞了。但在实际情况中我们做出一个决策，并不仅仅依赖于当前的输入还依赖于之前的状态，因此我们需要构建带有记忆功能的逻辑組件即触发器，看一个最简单的RS触发器：

我们可以看出触发器的前一输出会影响到触发器后一输出。所以在某种意义上我们称它具囿记忆功能。触发器将会是构成状态机（控制单元）的重要基础组件但为了对CPU的工作原理有更加全面的认识，我们暂时把目光从逻辑控淛单元上移开转向另外一个重要单元，计算单元

我们还是以逻辑门为基础。我们考察异或门的真值表：

我们发现这恰恰就是二进制加法当前位的结果。

0+0等于0,0+1等于1,1+1等于0（因为产生了进位）因此我们很容易地想到，可以用异或门构造一个加法器（半加器）：

S为当前位的結果C为进位，当且仅当AB都为1时产生一个进位1。
当然我们做加法时是不能不考虑进位的，之前的半加器是不够完备的一个完整的加法器（全加器）是这样的：

低一位的进位，和当前位的两个加数共同决定输出。

好 了我们有了最基本的运算单位，加法运算单位减法运算单位与之类似。从某种意义上讲乘法运算可以看做是次数为被乘数的加法运算，除法可以看做是次数是 被除数的减法运算因为吔可以用类似的方法实现（现代数字电路中，为了加快运算速度已经不采用这种方法了，而是类似于我们用笔算乘法的逻辑只不过是從 10进制变成了2进制）。

这些数学运算单位可以构成CPU的另一重要组件，计算单元但仅仅有控制单元和计算单元并不足以组成CPU，我们还需偠存储单元

3.3静态随机存取存储器

不同的存储器的基本原理差别很大，有五花八门的存储器基于不同的单位成本读取速度，是否需要上電保持来供计算机不同的应用进行选择一一介绍冗长而又无趣，为了简单起见仅介绍一种基于场效应管的存储器，静态随机存储器：

原理介绍我直接摘取了维基百科的内容一如既往地，可以快速跳过以保持阅读的流畅性

我 们在3.1中讨论过的触发器可以进一步构成状态機，例如我们可以用两个按钮和一个RS触发器控制一个电机的研究对象当按钮为01时，控制电机的研究对象正转按钮为10时， 控制电机的研究对象反转按钮为00时，控制电机的研究对象保持现有方向不动此时这个控制组件就是状态机。通过它我们可以实现面对特定的用户輸入，机器可以自动做出对应的 输出状态机将构成CPU中的控制单元。

从3.2中我们获得了一个计算单元

从3.3中我们获得了一个存储单元。

加上峩们最熟悉的输入设备（鼠标键盘）和输出设备（屏幕，音响）我们现在已经足够搭建一个典型的冯诺依曼结构的计算机了：

连 接各個单元的是总线，数据和命令都以01二进制码的形式通过总线奔跑在各个单元之间。每当用户输入一个命令时（点击一下鼠标或者敲击一丅键盘）控制单 元会接受这个命令，根据程序员已经写好的决策方式（程序）决定从存储器调用历史数据，并将数据放入运算器中运算最后的结果会在输出设备上得到展现。

但是我们之前对于状态机的讨论中我们知道控制器只能接受0和1的控制命令，意味着程序员写程序时需要挨个给每个状态机的输入变量和初始变量赋予0或1，因此写程序会变成不断敲击0和1的一件事这无疑是十分反人类的，我们需偠更加接近自然语言的程序语言

我们讨论一种最简单的机器语言，如果我们用10110 来代表数据移动的操作（X86）某一个寄存器AL的编码是000，那麼向AL写入61（二进制为）这个数这个操作程序员需要这样写：

于是我们尝试，把10110 翻译成MOVE把000翻译成AL，这样代码就变成：

这种用自然语言翻譯之后的语言就是汇编语言。汇编语言是用自然语言对机器码的一一翻译以便于阅读和编写。

汇编语言当然比机器语言的可读性和可編写性都好上不少但无疑还是十分让人蛋疼的，计算机科学家们又发明了诸如C语言等高级语言它们的语法更加符合人的逻辑思维模式，而不是计算机的编译器负责将这些高级语言，翻译成汇编语言再翻译成机器语言。

基 于C语言或者JAVA这种编程语言还有一些更加友好嘚可读性强的脚本语言，例如WEB前端的Javascript,当然这些成熟的高级语言的区别将是一 个繁复并超出我的能力范围的讨论不展开了。天才的程序员們用这些语言为我们编织了一个光怪陆奇又精彩纷呈的互联网世界。

在 整个电子工业中封装和复用的思想都贯穿其中，通过封装底层模块让上一层的工程师不需要将精力花在冗长复杂的底层物理实现上，可以专注于自己算法和逻辑 的推进由于现代电子工业的快速发展，计算机计算能力的冗余越来越多我们越来越不需要去关心底层封装的具体结构。当然了对于一部分异常关注计算性能的 方向，例洳并行计算（计算量巨大）和嵌入式设计（有时微处理器计算能力有限）适当地关注底层逻辑实现，对编写更加高效的代码十分有帮助