倒立摆系统研究意义历史与现状.doc

倒立摆系统研究意义历史与现状 1倒立摆系统研究的意义 1 2 倒立摆的种类 2 （1）直线倒立摆 2 （2）环形倒立摆 3 （3）平面倒立摆 3 （4）柔性连接倒立摆 4 （5）Acrobot、Penduot 4 3 倒立摆研究的历史与现状 4 3.1倒立摆系统在国外的研究现状 4 3.2倒立摆系统在国内的研究现状 5 1倒立摆系统研究的意义 倒立摆系统是一个典型的高阶次、多变量、严重不稳定和强耦合的非线性系 统，是控制理论研究中理想的被控制对象，它为控制理论的教学、实验和科研构 建了一个良好的实验平台。由于倒立摆具有以上特点，使得人们一直将它视为典 型的研究对象，不断地从中发掘和检验新的控制策略。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稳定控制。 20世纪90年代以来，各种复杂的倒立摆系统不断地采用不同的控制方法，极大的促进了控制理论的发展，同时这些新的控制方法又在航天航空控制和机器人控制方面的得到了广泛的应用。 在控制理论发展的过程中，某一理论的正确性及在实际应用中的可行性需要 一个按其理论设计的控制器去控制一个典型对象来验证这一理论，倒立摆就是这 样的一个典型的被控对象。倒立摆的典型性在于：作为一个实验装置，它成本低 廉、结构简单、形象直观、构件组成参数和形状易于改变、便于实现模拟和数字 两种不同的控制方式；作为一个被控对象又相当复杂，就其本身而言，是一个高 阶次、不稳定、多变量、非线性、强耦合的快速系统，只有采用行之有效的控制 方法才能使之稳定。此外对于倒立摆的稳定控制，会涉及到控制理论中的许多关键性问题，比如非线性问题、系统的鲁棒性问题、随动问题、镇定问题及跟随问题等等。倒立摆系统可以用多种理论和方法来实现其稳定控制，如PID、自适应、状态反馈、智能控制、模糊控制及人工神经元网络等多种理论和方法都能在倒立摆系统控制上得到实现。当一种新的控制理论和方法提出以后，在不能用理论加以严格证明时，可以考虑通过倒立摆装置来验证其正确性和实用性，因此对于倒立摆系统的研究在理论上有着深远的意义。近年来，国内外的大量专家学者对一级、二级和三级等倒立摆进行了大量的研究，试图寻找不同的控制方法来实现对倒立摆的控制，以便检验这些算法对严重非线性和绝对不稳定系统的控制能力。同时对倒立摆系统进行控制，其稳定效果非常明了，可以通过摆杆角度、小车位移和稳定时间直接来量度，这样控制算法的好坏就可以很直观的定性判断出来。 倒立摆的研究不仅有其深刻的理论意义，同时还有重要的工程背景。从日常 生活中所见到的任何重心在上、支点在下的控制问题，到空间飞行器和各种伺服 云台的稳定，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中有 很多应用，如海上钻井平台的稳定控制、卫星发射架的稳定控制、飞机安全着陆、 化工过程控制等都属于这类问题。同时其动态过程与人类的行走姿态类似，其平 衡与火箭的发射姿态调整类似，因此倒立摆在研究双足机器人直立行走、火箭发 射过程的姿态调整和直升飞机控制领域中也有重要的现实意义，相关的科研成果 已经应用到航天科技和机器人学等诸多领域。 在多种控制理论与方法的研究和应用中，特别是在工程实践中，也存在一种 可行性的试验问题。控制理论在当前的工程技术界主要是如何面向工程实际、面 向工程应用的问题，一项工程的实施也存在一种可行性的试验问题，用一套较好 的、较完备的试验设备，将其理论及方法进行有效的检验，倒立摆可以为此提供 一个从控制理论通往实践的桥梁。通过倒立摆实验，可以对控制理论和控制方法 的正确性以及实用性加以验证，对各种方法进行快捷、有效、生动的比较，是一 种有效的物理证明方法。因此，研究倒立摆系统具有很高的理论和实践意义。目 前对倒立摆系统的研究已经引起国内外学者的广泛关注，是控制领域研究的热门 课题之一。 2 倒立摆的种类 倒立摆系统按照摆杆的运动形式来分可以分为以下几种： （1）直线倒立摆 直线倒立摆也被成为“小车－倒立摆系统”：是由可以沿直线导轨运动的小车以及一端固定于小车之上的匀质长杆组成的系统。小车可以通过传动装置由力矩电机、步进电机、直流电机或者交流伺服电机驱动，小车的导轨一般有固定的行程，因而小车的运动范围是受到限制的。 （2）环形倒立摆 环形倒立摆可以被看成将直线倒立摆的直线导轨弯曲而成的系统。它一般是 由水平放置的连杆以及一端固定于连杆末端的匀质长杆组成，连杆是通过传动机 构由电机驱动沿中心的轴线转动，如图1右上角所示。这种形式摆脱了摆杆运动行程受到限制这一不利的因素，但是摆杆的圆周运动带来了另外的一种不利的非线性因素：离心力的作用。 图1环形倒立摆与平面倒立摆 （3）平面倒立摆 平面倒立摆的匀质摆杆的底端可以在平面内自由运动，并且摆杆可以沿平面 内的任一轴线转动，如图