應(yīng)用模糊控制技術(shù)的二級倒立擺系統(tǒng)文獻綜述

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1、文獻綜述應(yīng)用模糊控制技術(shù)的二級倒立擺系統(tǒng)一、前言摘要：在控制理論發(fā)展的過程中，某一理論的正確性及實際應(yīng)用中的可行性都需要一個按其理論設(shè)計的控制器控制一個典型對象進行驗證。倒立擺就是這樣一個被控制對象。倒立擺系統(tǒng)是一個多變量、快速、非線性和自然不穩(wěn)定系統(tǒng)，在控制過程中該系統(tǒng)能有效反映控制中的許多關(guān)鍵問題，如非線性問題、系統(tǒng)的魯棒性問題、隨動問題、鎮(zhèn)定問題及跟蹤問題等。倒立擺在控制理論研究中作為一種較為理想的實驗裝置，形象直觀，結(jié)構(gòu)簡單，構(gòu)件組成參數(shù)和形狀易于改變，成本低廉。倒立擺系統(tǒng)的控制效果可以通過其穩(wěn)定性直觀地體現(xiàn)，也可以通過擺桿角度、小車

2、位移和穩(wěn)定時間直接度量，其實驗效果直觀、顯著。當(dāng)新的控制理論與方法出現(xiàn)后，可以用倒立擺對其正確性和實用性加以物理驗證，并對各種方法進行快捷、有效、生動的比較。倒立擺的種類許多，有懸掛式倒立擺、平行倒立擺、環(huán)形倒立擺、平面倒立擺；倒立擺的級數(shù)可以是一級、二級、三級、四級、乃至多級；倒立擺的運動軌道可以是水平的，還可以是傾斜的(這對實際機器人的步行穩(wěn)定控制研究更有意義)；控制電機可以是單電機，也可以是多級電機。二、主題早在60年代人們就開始了對倒立擺系統(tǒng)的研究，1966年Schaefer和Cnnon應(yīng)用Bang-Bang控制理論，將一個曲軸穩(wěn)定于

3、倒立擺位置。在60年代后期，作為一個典型的不穩(wěn)定、嚴(yán)重非線性證例提出了倒立擺的概念，并檢驗控制方法對不穩(wěn)定、非線性和快速性系統(tǒng)的控制能力，受到世界各國許多科學(xué)家的重視，從而用不同的控制方法控制不同類型的倒立擺，成為具有挑戰(zhàn)性的課題之一。倒立擺的研究具有重要的工程背景[薛安克,王俊宏,柴利,王惠蛟.倒立擺控制仿真與試驗研究現(xiàn)狀.《上海交通大學(xué)報》,2002,36（增刊）:1-7]：（1）機器人的站立與行走類似雙倒立擺系統(tǒng)，盡管第一臺機器人在美國問世至今已有三十年的歷史，機器人的關(guān)鍵技術(shù)——機器人的行走控制至今仍未能很好解決。（2）在火箭等飛行器

4、的飛行過程中，為了保持其正確的姿態(tài)，要不斷進行實時控制。（3）通信衛(wèi)星在預(yù)先計算好的軌道和確定的位置上運行的同時，要保持其穩(wěn)定的姿態(tài)，使衛(wèi)星天線一直指向地球，使它的太陽能電池板一直指向太陽。9（1）偵察衛(wèi)星中攝像機的輕微抖動會對攝像的圖像質(zhì)量產(chǎn)生很大的影響，為了提高攝像的質(zhì)量，必須能自動地保持伺服云臺的穩(wěn)定，消除震動。（2）為防止單級火箭在拐彎時斷裂而誕生的柔性火箭(多級火箭)，其飛行姿態(tài)的控制也可以用多級倒立擺系統(tǒng)進行研究。由于倒立擺系統(tǒng)與雙足機器人、火箭飛行控制和各類伺服云臺穩(wěn)定有大相似性，因此對倒立擺控制機理的研究具有重要的理論和實踐意

5、義。1、倒立擺系統(tǒng)的控制方法對倒立擺這樣的一個典型被控對象進行研究，無論在理論上和方法上都具有重要意義，不僅由于其級數(shù)增加而產(chǎn)生的控制難度是對人類控制能力的有力挑戰(zhàn)，更重要的是實現(xiàn)其控制穩(wěn)定的過程中不斷發(fā)現(xiàn)新的控制方法、探索新的控制理論，并進而將新的控制方法應(yīng)用到更廣泛的受控對象中。各種控制理論和方法都可以在這里得以充分實踐，并且可以促成相互間的有機結(jié)合。當(dāng)前，倒立擺的控制方法可分為以下幾類:(1)線性理論控制方法將倒立擺系統(tǒng)的非線性模型進行近似線性化處理,獲得系統(tǒng)在平衡點附近的線性化模型,然后再利用各種線性系統(tǒng)控制器設(shè)計方法，得到期望的控制

6、器。PID控制、狀態(tài)反饋控制、LQ控制算法是其典型代表。這類方法對一、二級的倒立擺(線性化后誤差較小、模型較簡單)控制時，可以解決常規(guī)倒立擺的穩(wěn)定控制問題。但對于像非線性較強、模型較復(fù)雜的多變量系統(tǒng)(三、四級以及多級倒立擺)線性系統(tǒng)設(shè)計方法的局限性就十分明顯，這就要求采用更有效的方法來進行合理的設(shè)計。（2）預(yù)測控制和變結(jié)構(gòu)控制方法[姚利娜,王宏,周靖林,岳紅.倒立擺系統(tǒng)的變結(jié)構(gòu)控制方案[J].《控制理論與應(yīng)用》,2004,21（5）:28-32]由于線性控制理論與倒立擺系統(tǒng)多變量、非線性之間的矛盾，使人們意識到針對多變量、非線性對象，采用具有

7、非線性特性的多變量控制解決多變量、非線性系統(tǒng)的必由之路。人們先后開展了預(yù)測控制、變結(jié)構(gòu)控制和自適應(yīng)控制的研究。預(yù)測控制是一種優(yōu)化控制方法，強調(diào)的實模型的功能而不是結(jié)構(gòu)。變結(jié)構(gòu)控制是一種非連續(xù)控制，可將控制對象從任意位置控制到滑動曲面上仍然保持系統(tǒng)的穩(wěn)定性和魯棒性,但是系統(tǒng)存在顫抖。預(yù)測控制、變結(jié)構(gòu)控制和自適應(yīng)控制在理論上有較好的控制效果，但由于控制方法復(fù)雜，成本也高，不易在快速變化的系統(tǒng)上實時實現(xiàn)。（3）智能控制方法在倒立擺系統(tǒng)中用到的智能控制方法主要有神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制、模糊控制、仿人智能控制、擬人智能控制和云模型控制等。91）神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制[朱學(xué)

8、峰,周文彬,陳華燕.二級倒立擺的T-S型逐級模糊神經(jīng)網(wǎng)路控制.《華南理工大學(xué)學(xué)報》,2005，33(2):34-39]神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)能夠任意充分地逼近復(fù)雜的非線性關(guān)系，N