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倒立摆系统是一个典型的多变量、非线性、强耦合和快速运动的自然不稳定高阶系统。实现倒立摆的精确控制对工业复杂对象的控制有着不可估量的工程应用价值,同时倒立摆的研究在双足机器人行走、火箭发射过程的姿态调整和直升机飞行控制领域中有重要的现实意义。本文以固高直线倒立摆系统为研究对象,主要采用模糊逻辑控制理论研究了多级倒立摆控制系统的仿真和实物实现问题。论文主要工作如下:1.分析了倒立摆系统的组成结构和运动特性,采用拉格朗日方法和牛顿-欧拉方法分别建立了二级倒立摆和三级倒立摆系统的数学模型,接着对倒立摆系统进行了定性分析,证明了倒立摆系统的开环系统是不稳定的,但在平衡点附近是完全能控和能观测的,同时阐明了三级倒立摆的相对能控度比二级小很多,说明其控制难度更大。2.对二级倒立摆,设计了极点配置反馈控制器和线性二次型最优状态反馈控制器;阐述了基于系统理想闭环响应曲线法制定模糊控制规则库的思想,减少了以往依靠专家经验或熟练操作工人的实际经验制定控制规则库带来的主观性误差,在此基础上获取了倒立摆模糊控制规则库。详细阐述了二级倒立摆系统的基于状态变量合成的模糊控制器和状态变量分层模糊控制器的设计思想和设计方法,并给出了其在Matlab/Simulink环境下仿真结果及分析,讨论了量化因子比例因子对控制性能的影响。3.对三级倒立摆,设计了线性二次型最优状态反馈控制器;对变论域模糊控制器的控制实质进行了深入分析,通过线性和非线性被控对象对其控制性能进行了研究。给出了基于输入变量加权调整的变论域模糊控制算法,详细阐述了输入变量加权调整的思想,设计了基于模糊推理器的加权伸缩因子,同时根据理想闭环曲线构造了输出调整因子,在此之后于Matlab/Simulink环境下研究了所设计的基于输入变量加权的变论域模糊控制器的控制效果和抗干扰能力,并对相关控制算法进行了对比分析。4.最后分析了固高直线倒立摆实物控制的硬件和软件系统组成、控制机理和信号流程,编制了二级直线倒立摆的模糊控制程序代码,通过实物实验获得了二级直线倒立摆的实物控制曲线,随后对控制器的抗干扰能力、鲁棒性和快速性进行了反复实验,并对实验结果进行了分析。仿真和实物控制结果表明本文设计的控制器具有很好的稳定性、鲁棒性和适应性。