基于交流伺服系統(tǒng)的平面倒立擺控制研究.pdf

1、倒立擺作為典型的非線性、多變量、強耦合和自然不穩(wěn)定動態(tài)系統(tǒng)，受到物理、機械、數(shù)學以及控制等學科的廣泛關注，許多研究者將其作為控制教學和研究中的一個典型實驗裝置。它在控制過程中，能夠有效反應系統(tǒng)的可鎮(zhèn)定性、魯棒性、隨動性以及跟蹤等關鍵問題。同時，倒立擺又具有重要的工程應用背景，如機器人的直立行走，空間起飛助推器的姿態(tài)控制，海上鉆井平臺的穩(wěn)定性控制等，都是以倒立擺作為物理模型的。
　　 當前對于倒立擺的研究主要集中在單維倒立擺，并且

2、研究的主要方向是在倒立擺本體部分的控制，很少考慮驅(qū)動單元的性能對于倒立擺控制性能的影響。本文將永磁同步電動機作為平面倒立擺控制系統(tǒng)的驅(qū)動單元，將電機驅(qū)動性能與倒立擺動態(tài)特性綜合考慮，來實現(xiàn)平面倒立擺的快速穩(wěn)定和跟蹤控制。
　　 論文首先介紹了永磁同步電動機的機械結構和數(shù)學模型，分析了矢量控制理論與電壓空間矢量脈寬調(diào)制技術，給出了永磁同步電動機矢量控制系統(tǒng)的仿真模型和波形曲線。同時，采用拉格朗日方程建立了平面倒立擺系統(tǒng)的動力學模型

3、，通過軸和軸兩個方向分步控制，將非線性的平面倒立擺系統(tǒng)數(shù)學模型進行了非線性解耦，得到了軸和軸兩個方向解耦的非線性倒立擺數(shù)學模型。
　　 然后針對軸和軸方向上兩個解耦的非線性倒立擺數(shù)學模型，在考慮永磁同步電動機驅(qū)動特性的情況下，采用三種PID控制方法進行了平面倒立擺的穩(wěn)定和跟蹤控制。通過Matlab/Simulink環(huán)境下仿真，對三種PID控制方法進行比較，選取了控制性能最佳的PID控制方法，進行了階躍信號、正弦波信號、余弦波信號

4、和-平面上的圓規(guī)跡信號位置跟蹤控制。論文中的仿真結果證明了PID控制能夠?qū)崿F(xiàn)平面倒立擺系統(tǒng)的穩(wěn)定和跟蹤控制。
　　 同時，為了提高平面倒立擺系統(tǒng)的控制性能，本文在考慮永磁同步電動機驅(qū)動性能的情況下，分別采用模糊自適應PID和完全模糊控制進行平面倒立擺系統(tǒng)的穩(wěn)定和跟蹤控制。其中模糊自適應PID控制是將小車位置控制采用模糊自適應PID控制器，擺桿擺角控制還是采用普通PID控制器。而完全模糊控制是先通過融合矩陣將倒立擺四個輸出量的誤差