直线倒立摆的稳定控制算法设计摘要摆系统在平衡点附近线性化，利用状态空间方法设计比例微分控制器实现了级倒立摆的稳定控制。年，等人应用最优状态调节器理论首次实现双电机三级倒立摆实物控制。年代后期开始，较多的研究了倒立摆系统中的非线性特性，提出了系列的基于非线性分析的控制策略，年，等人应用基于李亚普诺夫的方法控制了环形级倒立摆。国内对倒立摆的研究始于年代，三级倒立摆及多级倒立摆的研究也取得了很大进展，不仅在系统仿真方面，而且在实物实验中，都出现了控制成功的范例。尹征琦等成功的以模拟的降维观测器实现了二级倒立摆的控制。梁任秋等针对二级倒立摆系统给出了三种实用的数字控制器和降维观测器。年，北京航空航天大学教授张明廉将人工智能与自动控制理论相结合，提出“拟人智能控制理论”，实现了用单电动机控制三级倒立摆实物以及后来实现对二维单倒立摆控制。年，罗成等人实现了五级倒立摆的控制。对倒立摆这样的个典型被控对象进行研究，它在理论上和方法上都具有重要意义。不仅由于其级数增加而产生的控制难度是对人类控制能力的有力挑战，更重要的是实现其控制稳定的过程中不断发现新的控制方法探索新的控制理论，并进而将新的控制方法应用到更广泛的受控对象中。各种控制理论和方法都可以在这里得以充分实践，并且可以促成相互间的有机结合。当前倒立摆的控制方法可分为以下几类线性理论控制方法将倒立摆系统的非线性模型进行近似线性化处理，获得系统在平衡点附近的线性化模型，然后再利用各种线性系统控制器设计方法得到期望的控制器。控制状态反馈控制控制算法是其典型代表。这类方法对二级的倒立摆线性化后误差较小模型较简单控制时，可以解决常规倒立摆的稳定控制问题。但对于像非线性较强模型较复杂的多变量系统三四级以及多级倒立摆线性系统设计方法的局限性就十分明显，这就要求采用更有效的方法来进行合理的设计。预测控制和变结构控制方法由于线性控制理论在倒立摆控制中的局限性，使得研究者不得不去寻求更加有效的控制方法，于是先后开展了预测控制变结构控制和自适应控制的研究。预测控制是种优化控制方法，强调的是模型的功能而不是结构。变结构控制是种非连续控制，可将控制对象从任意位置控制到滑动曲面上仍然保持系统的稳定性和鲁棒性,但是系统存在颤抖。预测控制变结构控制和自适应控制在理论上有较好的控制效果，但由于控制方法复杂成本也高，不易在快速变化的系统上实时实现。智能控制方法在倒立摆系统中用到的智能控制方法主要有神经网络控制模糊控制仿人智能控制拟人智能控制和云模型控制等。神经网络控制神经网络能够任意充分地逼近复杂的非线性关系，能够学习与适应严重不确定性系统的动态特性，所有定量或定性的信息都等势分布贮存于网络内的各种神经元，故有很强的鲁棒性和容错性也可将学习算法和神经网络有效结合，实现状态未离散化的倒立摆的无模型学习控制。但是神经网络控制方法存在的主要问题是缺乏种专门适合于控制问题的动态神经网络，而且多层网络的层数隐层神经元的数量激发函数类型的选择缺乏指导性原则等。模糊控制经典的模糊控制器利用模糊集合理论将专家知识或操作人员经验形成的语言规则直接转化为自动控制策略通常是专家模糊规则查询标，其设计不依靠对象精确的数学模型，而是利用其语言知识模型进行设计和修正控制算法。常规的模糊控制器的设计方法有很大的局限性，首先，难以建立组比较完善的多维模糊控制规则，即使能凑成这样组不完整的粗糙的模糊控制规则，其控制效果也是难以保证的。但是模糊控制结合其他控制方法就可能产生比较理想的效果。拟人智能控制模糊控制神经网络控制等智能控制理论的问世促进了当代自动控制理论的发展。然而，基于这些智能控制理论所设计的系统往往需要庞大的知识库和相应的推理机，不利于实现实时控制。这又阻碍了智能控制理论的发展，因此，又有学者提出了种新的理论拟人控制理论。拟人智能控制的核心是“广义归约”和“拟人”。“归约”是人工智能中的种问题求解方法。这种方法是将等求解的复杂问题分解成复杂程度较低的若干问题集合，再将这些集合分解成更简单的集合，依此类推，最终得到个本原问题集合，即可以直接求解的问题。另核心概念是“拟人”，其含义是在控制规律形成过程中直接利用人的控制经验直觉推理分析。仿人智能控制仿人智能控制的基本思想是通过对人运动控制的宏观结构和手动控制行为的综合模仿，把人在控制中的“动觉智能”模型化，提出了仿人智能控制方法。研究结果表明，仿人智能控制方法解决复杂强非线性系统的控制具有很强的实用性。云模型控制利用云模型实现对倒立摆的控制，用云模型构成语言值，用语言值构成规则，形成种定性的推理机制。这种拟人控制不要求给出被控对象精确的数学模型，仅仅依据人的经验感受和逻辑判断，将人用自然语言表达的控制经验，通过语言原子和云模型转换到语言控制规则器中，就能解决非线性问题和不确定性问题。.本文主要工作本论文的主要工作是设计了直线倒立摆系统的机械本体部分，并分别进行，线性二次最优控制，状态空间极点配置控制算法的设计，用对级二级三级倒立摆控制系统进行了仿真，验证了设计的可行性。具体内容如下