環(huán)形倒立擺與旋轉(zhuǎn)式倒立擺的起振和平衡控制.pdf

1、倒立擺系統(tǒng)是一個(gè)典型的單輸入多輸出、非線性、強(qiáng)耦合和自然不穩(wěn)定的系統(tǒng)，對(duì)這樣一個(gè)復(fù)雜系統(tǒng)的研究，理論上將涉及系統(tǒng)控制中的很多關(guān)鍵問(wèn)題，比如非線性問(wèn)題、魯棒性問(wèn)題、鎮(zhèn)定問(wèn)題和跟蹤問(wèn)題等。由于倒立擺系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單以及控制效果直觀，所以常常被用來(lái)作為控制理論教學(xué)與驗(yàn)證新的控制算法是否能處理多變量、非線性和不穩(wěn)定系統(tǒng)的理想工具；其次控制倒立擺的一些方法和思想在研究其它被控對(duì)象時(shí)也有廣泛的用途，比如行走機(jī)器人、火箭垂直姿態(tài)以及衛(wèi)星飛行姿態(tài)的控制。因

2、此對(duì)倒立擺的研究具有很重要的理論和應(yīng)用價(jià)值。 本文以Furuta倒立擺（環(huán)形倒立擺）和Polar倒立擺（旋轉(zhuǎn)式倒立擺）為研究對(duì)象，以實(shí)現(xiàn)具有先進(jìn)控制策略的倒立擺實(shí)驗(yàn)裝置為研究目標(biāo)，采用二自由度控制策略完成了這兩類倒立擺的起振和平衡控制，并且實(shí)現(xiàn)了這兩類倒立擺起振和平衡控制的MATLAB/Simulink仿真與dSPACE實(shí)時(shí)控制。 本文首先介紹了倒立擺建模和控制器設(shè)計(jì)所需要的一些數(shù)學(xué)基礎(chǔ)和控制理論。主要包括剛體運(yùn)動(dòng)學(xué)基礎(chǔ)

3、、剛體動(dòng)力學(xué)基礎(chǔ)、牛頓-歐拉公式、非線性前饋控制器的設(shè)計(jì)、線性反饋控制器的設(shè)計(jì)以及非線性狀態(tài)觀測(cè)器的設(shè)計(jì)。 其次借助于多體系統(tǒng)的動(dòng)力學(xué)方程建立了這兩類倒立擺的數(shù)學(xué)模型。主要工作是建立合適的坐標(biāo)系以及計(jì)算質(zhì)量矩陣、科罩奧利力、離心力、回轉(zhuǎn)力和主動(dòng)力。 隨后以這兩類倒立擺的數(shù)學(xué)模型為基礎(chǔ)，設(shè)計(jì)出了基于反變換的非線性前饋控制器，并利用MATLAB bvp4c函數(shù)求解出這兩類倒立擺起振和旋轉(zhuǎn)平衡控制的理想軌跡與標(biāo)準(zhǔn)控制量；接著引

4、入了基于線性化工作點(diǎn)的非線性觀測(cè)器來(lái)觀測(cè)系統(tǒng)的狀態(tài)；最后采用沿著理想軌跡的線性狀態(tài)反饋方法設(shè)計(jì)了反饋控制器。 本文最后構(gòu)建了這兩類倒立擺的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，并成功實(shí)現(xiàn)了所構(gòu)建的這兩類倒立擺的MATLAB/Simulink仿真和dSPACE實(shí)時(shí)控制。仿真和實(shí)時(shí)控制結(jié)果表明，本文所提出的基于線性化工作點(diǎn)的非線性觀測(cè)器具有比較好的穩(wěn)定性和快速的狀念觀測(cè)誤差收斂性，同時(shí)也驗(yàn)證了本文所采用的二自由度控制策略的有效性，該控制策略能實(shí)現(xiàn)這兩類倒立擺的