关于小车倒立摆系统的调查研究

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1、第 1 页 共 6 页 关于小车倒立摆系统的调查研究关于小车倒立摆系统的调查研究 1 1 导言导言 倒立摆是机器人技术、控制理论、计算机控制等多个领域、多种技术的有机结合， 其被控系统本身又是一个绝对不稳定、高阶次、多变量、强耦合的非线性系统，可以作 为一个典型的控制对象对其进行研究。最初研究开始于二十世纪 50 年代，麻省理工学 院（MIT）的控制论专家根据火箭发射助推器原理设计出一级倒立摆实验设备。近年来， 新的控制方法不断出现，人们试图通过倒立摆这样一个典型的控制对象，检验新的控制 方法是否有较强的处理多变量、非线性和绝对不稳定系统的能力，从而从中找出最优秀 的控制方法。倒立摆系统作为控

2、制理论研究中的一种比较理想的实验手段，为自动控制 理论的教学、实验和科研构建一个良好的实验平台，以用来检验某种控制理论或方法的 典型方案，促进了控制系统新理论、新思想的发展。由于控制理论的广泛应用，由此系 统研究产生的方法和技术将在半导体及精密仪器加工、机器人控制技术、人工智能、导 弹拦截控制系统、航空对接控制技术、火箭发射中的垂直度控制、卫星飞行中的姿态控 制和一般工业应用等方面具有广阔的利用开发前景。平面倒立摆可以比较真实的模拟火 箭的飞行控制和步行机器人的稳定控制等方面的研究。 2 2 现状现状 倒立摆的摆起问题，是控制理论中的一个经典实验，实质是倒立摆系统从一个稳定 的平衡状态在外力的

3、作用下自动转移到另一个平衡状态。在这个过程中，既要求起摆快 速，但又不能过于超调。 用于倒立摆摆起的控制方法主要有滑模控制、狄色预测控制、部分状态反馈控制、 时间最优控制、能量控制、监督控制、拟人控制、神经网络控制、进化控制等，但是主 要集中在能量控制、最优控制、智能控制等方面。 由于输入、输出之间的非线性，许多常用的线性控制理论都不适用，基于非线性理 论，目lift如下几种方法已成功实现倒立摆的起摆控制。 1976年，MoiltIJ等人提出包含两个控制器的控制系统，一个控制器用来自动起摆， 另一个用来稳定进入平衡状态附近的倒立摆系统。一般来说，摆起控制器通过振荡使倒 第 2 页 共 6 页

4、立摆运动到一个指定范围，然后控制器切换到另一个负责稳定的部分。1996年， TorresPomalesJ设计了一个简单的滑模控制器来实现倒立摆的摆起。 基于能量的控制简单的来说就是控制摆杆的能量而不是控制摆杆的位置和速度。 Yoshida采用能量实现了直线倒立摆的摆起控制，FantoniE41也实现了能量控制，只是 被控对象不同，其被控对象是平面运动一级摆。Astrom详细讲述了能量控制理论，其控 制对象是直线一级倒立摆。 付莹、 张广立等采用能量反馈的法完成了倒立摆的摆起控制， 其方法与上述方法类似，相对来说经验较多，而且成功实现了实物的一级直线倒立摆的 摆起控制。 采用最优控制的数值算法，

5、在状态变量较少时可以实现最优控制律的计算，但对于 状态变量较多，尤其是具有终点约束的问题却难以实现。侯祥林71基于最优化原理研 究倒立摆快速摆起的实现方法，将每个时间段上的控制律向量作为设计变量，以终点约 束条件作为目标函数，建立了最优控制律的优化程序计算方法，并且有效地应用到环形 单级倒立摆的摆起过程控制。朱江滨等提出了种基于专家系统及变步长预测控制的实 时非线性系统控制方法，用变步长一步预测避开复杂的非线性推导，结合专家系统对控 制参数进行修正，从而最终实现直线二级倒立摆的摆起及稳定控制。 基于智能控制的摆起算法，有两大类：一类是直接通过对人工手动控制直线一级摆 摆起倒立过程的解析，依据仿

6、人智能控制理论如模糊控制、神经网络，设计出了适用于 操作力矩受限情况下的单自由度摆起摆倒立控制的智能控制器，李祖枢阴用上述方法很 好的仿真与实时试验结果以及两者之间充分的吻合证明了仿人智能控制方法的有效性， 但控制器中的增益系数要通过实验分析，并且对摆起是否成功有很大的影响。另一类， 将智能控制算法与其他控制算法如最优化方法、能量反馈方法相结合，如侯祥林首先由 开环控制律优化算法确定理想控制律和状态变量矩阵，建立标准样本，再通过人工神经 网络学习标准样本，获得表达状态变量和控制量关系神经网络的权值和阈值，建立摆起 控制的神经网络，然后在闭环控制时检测状态变量，决定实施摆起控制还是稳定控制， 把智能控制与最优化控制结合，实现倒立摆的摆起。 3 3 倒立摆倒立摆 倒立摆是什么？还记得当你是个孩子时你曾用你的食指或者掌心设法去平衡一把 扫帚柄或者棒球棍吗？你必须不断地调整你 的手的位置以保持对象的垂直。 一个倒立摆 在本质上就是做相同的事情。然而，它会受限制因为它只能在一 定范围内移动，虽然你 第 3 页 共 6 页 的手可以上升、下降、斜向一边等等。检查录象提供的画面来观察倒