一阶倒立摆控制仿真-文献综述.doc

一阶倒立摆仿真 摘 要：倒立摆系统是一个典型的快速、多变量、非线性、不稳定系统，研究倒立摆的精确控制对工业复杂对象的控制有着重要的工程应用价值。 本文主要介绍了倒立摆系统的特性、分类、应用、发展等基本情况。 关键字：倒立摆；特性；应用；分类；发展 Simulation of single inverted pendulum Abstract: The inverted pendulum system is characterized as a fast multi-variable nonlinear essentially unsteady system．The research on precise control of the inverted pendulum is of great practical engineering value for control problems of complicated industrial object. In this paper, The basic situations include characteristics, classification ,application ,development and so on of the inverted pendulum system are introduced. Keywords: inverted pendulum; characteristic; classification; application; development 1 前 言 倒立摆是一种典型的快速、多变量、非线性、绝对不稳定系统。早在20世纪50年代, 麻省理工学院(MIT) 的控制论专家就根据火箭发射助推器原理设计出一阶倒立摆实验设备, 此后其控制方法和思路在军工、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、卫星发射架的稳定控制、飞机安全着陆、化工过程控制以及日常生活中所见的任何重心在上、支点在下的控制问题等, 均涉及到“倒立摆问题”。事实上, 人们一直在试图寻找不同的控制方法来实现对倒立摆的控制, 以便检查或说明该方法对严重非线性和绝对不稳定系统的控制能力。 MATLAB是美国MathWorks公司出品的商业数学软件，用于算法开发、数据可视化、数据分析以及数值计算的高级技术计算语言和交互式环境，主要包括MATLAB和Smulink两大部分。 而Simulink是MATLAB最重要的组件之一，它提供一个动态系统建模、仿真和综合分析的集成环境。在该环境中，无需大量书写程序，而只需要通过简单直观的鼠标操作，就可构造出复杂的系统。Simulink具有适应面广、结构和流程清晰及仿真精细、贴近实际、效率高、灵活等优点，并基于以上优点Simulink已被广泛应用于控制理论和数字信号处理的复杂仿真和设计。同时有大量的第三方软件和硬件可应用于或被要求应用于Simulink。 本文讨论了基于MATLAB的一阶倒立摆控制系统，通过对一阶倒立摆的研究，建立数学模型，根据数学模型选择恰当的控制算法，并在MATLAB中实现仿真 2 综述主体 倒立摆是处于倒置不稳定状态、通过人为控制使其处于动态平衡的一种摆，是一个复杂的快速、非线性、多变量、强耦合、自然不稳定系统，是重心在上、支点在下控制问题的抽象。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。 2.1 倒立摆的分类 倒立摆已经由原来的直线一阶倒立摆扩展出很多种类，典型的有直线倒立摆，环形倒立摆，平面倒立摆和复合倒立摆等，倒立摆系统是在运动模块上装有倒立摆