旋轉(zhuǎn)式倒立擺的穩(wěn)定控制研究.pdf

1、倒立擺穩(wěn)定控制是一個(gè)經(jīng)典的控制問(wèn)題。作為典型的快速、多變量、非線性、絕對(duì)不穩(wěn)定系統(tǒng)，一直是控制理論與應(yīng)用的熱點(diǎn)問(wèn)題，不但是驗(yàn)證現(xiàn)代控制理論方法的典型實(shí)驗(yàn)裝置，而且其控制方法和思路在一般工業(yè)過(guò)程亦有廣泛的用途，因此倒立擺系統(tǒng)的研究具有重要的理論研究和實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。許多抽象的控制概念如控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性、可控性、系統(tǒng)收斂速度和系統(tǒng)抗干擾能力等，都可以通過(guò)倒立擺系統(tǒng)直觀的表現(xiàn)出來(lái)。倒立擺系統(tǒng)的高階次、不穩(wěn)定、多變量、非線性和強(qiáng)耦合等特性使得許多

2、現(xiàn)代控制理論的研究人員一直將它視為研究對(duì)象。他們不斷從研究倒立擺控制方法中發(fā)掘出新的控制方法，并將其應(yīng)用于航天科技和機(jī)器人學(xué)等各種高新科技領(lǐng)域。 本文利用線性二次最優(yōu)控制和模糊控制兩種方法對(duì)旋轉(zhuǎn)式倒立擺進(jìn)行穩(wěn)定控制研究，仿真和實(shí)驗(yàn)結(jié)果證明了所采用控制方法的有效性。論文主要工作如下： 闡述了倒立擺系統(tǒng)控制的研究發(fā)展過(guò)程和現(xiàn)狀，利用牛頓力學(xué)分析法建立旋轉(zhuǎn)式倒立擺系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)方程，然后對(duì)得到的動(dòng)態(tài)方程在平衡點(diǎn)附近進(jìn)行線性化處理，

3、得出其線性化方程，最后對(duì)倒立擺系統(tǒng)進(jìn)行了能控性分析，證明倒立擺系統(tǒng)是自然不穩(wěn)定系統(tǒng)，但在平衡點(diǎn)是能控的。 利用線性二次最優(yōu)控制對(duì)旋轉(zhuǎn)倒立擺進(jìn)行了穩(wěn)定控制仿真研究。適當(dāng)選取最優(yōu)狀態(tài)加權(quán)陣，求得最優(yōu)狀態(tài)反饋陣，然后對(duì)旋轉(zhuǎn)倒立擺進(jìn)行穩(wěn)定控制仿真研究。 運(yùn)用最優(yōu)控制方法設(shè)計(jì)最優(yōu)狀態(tài)變量合成函數(shù)，減少模糊控制器輸入變量的維數(shù)，成功解決了“規(guī)則爆炸”問(wèn)題。分析量化因子對(duì)控制效果的影響，采用非線性量化因子，從而提升模糊控制器的性能品質(zhì)

4、。 利用Matlab/Simulink工具進(jìn)行了旋轉(zhuǎn)倒立擺模糊控制系統(tǒng)的仿真研究。該工具使模型的建立更具靈活性，給仿真帶來(lái)很大方便，從而成功實(shí)現(xiàn)旋轉(zhuǎn)倒立擺模糊控制的仿真。 在VC控制平臺(tái)上，利用線性二次最優(yōu)控制和模糊控制兩種方法，編寫(xiě)旋轉(zhuǎn)倒立擺穩(wěn)定控制算法程序，成功實(shí)現(xiàn)了旋轉(zhuǎn)倒立擺的穩(wěn)定控制。 仿真結(jié)果證明：所設(shè)計(jì)的模糊控制器可以實(shí)現(xiàn)旋轉(zhuǎn)倒立擺系統(tǒng)的穩(wěn)定控制。最后將該控制算法運(yùn)用到倒立擺實(shí)物系統(tǒng)中，也取得了令人滿