致  谢 41

参考文献 42

 1  绪论

1．1  倒立摆系统的研究意义

倒立摆系统是一个典型的多变量、非线性、强耦合、快速运动的自然不稳定系统[1]。某一控制理论理论的正确性、实用性和可行性需要一个实际对象进行验证，倒立摆系统成本低廉、结构简单、物理参数和结构易于调整，恰好为检验控制理论提供了一个理想对象，其稳定控制性能可以直观地反应控制理论的优劣性。另外，倒立摆系统的研究还具有重要的现实意义。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[2]。倒立摆系统的许多科研成果被广泛地应用到航天事业、机械生产等领域。文献综述

1．2  倒立摆系统的控制方法及现状

1.2.1  线性控制

1.2.2  模糊控制

1.2.3  神经网络控制

1.2.4  遗传算法寻优

1.2.5  鲁棒控制

1．3  本文研究的主要内容

本文主要研究了直线倒立摆系统的起摆和稳摆控制算法，运用Matlab软件进行仿真并在实物系统中进行实验，验证了算法的可行性。文中各章主要内容如下：

（1） 第1章主要介绍了倒立摆系统的研究背景、研究意义及研究现状等。

（2） 第2章分别运用牛顿力学方法、拉格朗日方法建立了一级、二级倒立摆系统的非线性模型，并对系统进行了定性分析。

（3） 第3章研究了一级倒立摆起摆问题，采用能量控制实现了一级倒立摆的自起摆，并结合LQR控制实现了起摆控制与稳摆控制的切换。

（4） 第4章针对一级、二级倒立摆的稳摆控制，分别设计了常规模糊控制器和自适应模糊控制器。针对量化因子和比例因子，采用两种自适应方法：通过寻优量化因子阈值设置各参数取值；提出一种基于模糊调节器的在线调整方法。

（5） 第5章运用RBF神经网络设计了摩擦补偿策略以优化模糊算法，并在一级倒立摆实际控制实验中验证了算法的有效性。

（6） 第6章将所设计的控制方案运用到实际系统中，调试并优化控制参数，最后对比分析了各控制算法的控制效果。

 2  直线倒立摆系统及建模源:自~优尔-·论`文'网·www.youerw.com/

2．1  倒立摆实验系统

2.1.1  倒立摆实验系统组成

本设计采用固高公司生产的倒立摆实验系统，对直线一级、二级倒立摆系统进行研究。实验系统由倒立摆本体、电控箱、装有运动控制卡的PC机三大部分组成，如图2-1所示。

图2-1  倒立摆系统框图

倒立摆本体主要包括小车、摆杆、滑杆轨道、电机、编码器等几部分，如图2-2所示。摆杆和小车为系统的被控对象，电机通过同步带驱动小车在滑杆上运动以保持摆杆平衡，编码器将小车位置和摆杆角度反馈给运动卡。

电控箱主要由交流伺服电机、I/O接口板、开关电源、开关、指示灯等电器元件组成，如图2-3所示。

系统控制平台包括：与IBM PC/AT兼容的PC机，带PCI/ISA的总线插槽，T400-SV-PCI、GM400运动控制卡，GT400-SV-PCI、GM400运动控制卡用户接口软件。