摘要：直线二级倒立摆系统是一个单输入多输出、欠驱动、强耦合且对控制的实时性要求极高的非线性对象。由于该系统的特性与许多工业非线性系统的特性极其相似,因此对直线倒立摆系统的研究不仅可以验证控制算法的有效性,也具有很重要的工程应用意义。传统的对直线倒立摆的建模方法是物理建模。通过对直线倒立摆系统进行受力分析,建立其数学模型。但采用这种方法对直线倒立摆建模时需要做一些假设,同时也忽略了一些非线性的因素,从而导致建立的模型精度不高。针对物理模型的缺点,本文首次将ARX建模方法及RBF-ARX建模方法应用于单输入三输出的直线二级倒立摆系统。ARX模型是线性模型,其系数通过线性最小二乘法辨识得到。RBF-ARX模型是一种随状态变化的非线性模型,其参数通过结构化非线性参数优化方法(SNPOM)辨识获得。建模结果表明这两种模型都具有很高的建模精度。在直线二级倒立摆系统的ARX模型及RBF-ARX模型的基础上,设计了直线二级倒立摆系统的模型预测控制器,并详细介绍了基于此两类模型的预测控制器的设计方法以及相关控制参数对模型预测控制效果的影响。本文首次实现了基于ARX模型预测控制器(ARX-MPC)及基于RBF-ARX模型的预测控制器(RBF-ARX-MPC)对直线二级倒立摆系统(单输入三输出)稳摆的仿真控制。仿真结果表明,两种模型预测控制方法都具有较强的抗干扰性能,且能够快速平稳地完成直线二级倒立摆的稳摆控制。在仿真实验的基础上,本文还首次实现了基于RBF-ARX模型预测控制器对直线二级倒立摆稳摆的实物控制。结果进一步验证了基于RBF-ARX模型的预测控制在快速、非线性系统中的有效性。图49幅,表2个,参考文献69篇。