基于PID控制器的一阶倒立摆控制器设计介绍.doc

1 绪论 1.1问题的提出及研究意义 1.1.1问题的提出 倒立摆系统是非线形、强耦合、多变量和自然不稳定的系统。在控制过程中，它能有效地反映诸如可镇定性、鲁棒性、随动性以及跟踪等许多控制中的关键问题，是检验各种控制理论的理想模型。迄今人们已经利用经典控制理论、现代控制理论以及各种智能控制理论实现了多种倒立摆系统的控制稳定。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[1]。 1.1.2研究意义及应用前景 倒立摆的控制方法在军工、航天、机器人领域和一般工业过程中都有着广泛的用途，如机器人行走过程中的平衡控制、火箭发射中的垂直度控制和卫星飞行中的姿态控制等均涉及到倒置问题，因此对倒立摆系统的研究在理论和方法论上均有着深远的意义。 由于倒立摆系统的控制策略和杂技运动员顶杆平衡表演的技巧有异曲同工之处，极富趣味性，而且许多抽象的控制理论概念如系统的稳定性、可控性和系统的抗干扰能力等等，都可以通过倒立摆系统实验直观的表现出来，因此在欧美发达国家的高等院校，它已经成为必备的控制理论教学实验设备。学习自动控制理 论的学生通过倒立摆系统实验来验证所学的控制理论和算法，非常的直观、简便，在轻松的实验中对所学的课程加深了理解。 硬件在回路的实时仿真是仿真技术中置信度最高的一种仿真方法，它采用真实的控制器，被控对象或者系统运行环境部分采用实物，部分采用实时数字模型来模拟，进行整个系统的仿真测试。从系统的观点来看，硬件在回路实时仿真允许在系统中接入部分实物，意味着可以把实物放在系统中进行考察，从而使部件能在满足系统整体性能指标的环境中得到检验，因此是提高系统设计的可靠性和研制质量的必要手段。其优势具体表现在以下几个方面: ⑴ 避免建模困难—对于很难建立准确的数学模型的对象，由于硬件在回路实时仿真中，将实物直接参与仿真，从而可以避免建模之困难，克服建模不准造成的误差。 ⑵提高开发效率—统一的开发及测试环境可以将开发的周期大大缩短，研制 成本显著降低，并且使开发人员的精力集中在控制模型的设计上。 ⑶ 软件构成的闭环测试—是有效地评价系统性能的重要方法。 ⑷ 减少实施过程中产生的错误。 在控制理论的教学中，针对倒立摆实物构建一个合理高效的实验平台不仅可以加强学生对控制理论的深入理解，而且可以让学生了解到必威体育精装版的硬件在回路仿真技术开发流程，掌握基于MATLABRTW的实时仿真操作，理论和实践双管齐下地提高学生对控制理论的认识和兴趣，在高校的控制理论教学和实验以及关于倒立摆控制策略的研究中具有广阔的前景。 此外，由于该系统具有的开放性和通用性，可以使许多不同的实验设备工作在同一个平台下，为设计系列实验提供了一个具有延续性的环境，减少了实验者熟悉实验软件的过程，将重点集中在实验本身，提高了效率[2]。 1.2国内外研究现状 倒立摆系统稳定与控制的研究在国外始于60年代，我国则从70年代中期开始研究。首先根据经典控制理论与现代控制理论应用极点配置法，设计模拟控制器，国内外专家学者先后控制了单级倒立摆与二级倒立摆的稳定。随着微机的广泛应用又陆续实现了数控二级摆的稳定。随着摆杆级数的增加，多级倒立摆由于其高度非线形和不确定性，其控制成为世界公认的难题。被控对象越复杂，数学模型越难精确推导，加上系统本身的非线形以及某些不确定性，使针对线形化模型进行控制系统设计的各种理论对解决这些复杂系统无能为力。在这样复杂的控制面前，把人工智能的方法引入控制系统，得到新的突破。相应的模糊智能控制、神经网络控制和仿人智能控制在倒立摆的控制上也取得了瞩目的成绩。2002年8月北京师范大学数学系李洪兴教授领导的科研团队采用“变论域自适应模糊控制理论”成功地实现了全球首例“四级倒立摆实物系统