倒立摆的鲁棒控制研究.pdf

辽宁科技大学硕士学位论文姓名:马俊申请学位级别:硕士专业:控制理论与控制工程指导教师:李小华20080301摘要关键词:倒立摆,鲁棒控制,铡W刺蠢】刂疲嘲粜倒立摆是理想的自动控制理论研究实验平台,许多抽象的控制概念如系统稳定性、可控性、抗干扰能力等,都可以通过倒立摆直观地表现出来。因此,自从世纪年代以来,许多现代控制理论的研究人员都将它视为研究对象,并不断从中发掘出新的控制理论和控制方法,相关的成果在航空航天和机器人学方面获得了广阔的应用。可见,对倒立摆系统进行研究既具有理论价值,又具有重要的工程背景和实际意义。本文针对固高公司提供的倒立摆实验设备,对一、二、三级倒立摆的鲁棒控制方法进行了研究。首先,利用动力学方程和拉格朗日方程,建立了一级、二级、三级倒立摆系统的标称数学模型和存在不确定情况下的不确定数学模型,为倒立摆系统鲁棒控制作了模型准备。然后基于鯥理论的推导,给出了倒立摆系统鲁棒W刺蠢】刂破鞯纳杓品椒ǎ⒂么朔椒ǚ直鹕杓屏艘弧⒍⑷兜沽诘鲁棒控制器。为了与其它方法进行比较,文中还分别对一级倒立摆系统应用了、状态反馈的控制方法,二级倒立摆应用了椒ǎ兜沽谟τ昧艘糯惴ā鲁棒方法,并通过对系统的仿真与文中提出的鲁棒控制方法进行了比较。通过比较可以看出,鲁棒日。控制方法较其它的方法有更好的抗干扰性和鲁棒性,所以运用该方法设计的控制器进一步提高了系统的控制性能。辽宁科技大学硕士论文鷐弘烈篴琇,辳—∞皁锄恪辝癶鱡,锄呻礵耮╡,印僦彘謞柚謉詌,也∞謉鄀锄,,。日∞甌,.,琩甋缸瑃—瓼,瑃,.Ⅱ翌』叁独创性声明关于论文使用授权的说明日期:塑监:堡:本人声明所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。尽我所知,除了文中特别加以标注和致谢的地方外,论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果,也不包含为获得辽宁科技大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的材料,与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均己在论文中作了明确的说明并表示了谢意。本人完全了解辽宁科技大学有关保留、使用学位论文的规定,即:学校有权保留送交论文的复印件,允许论文被查阅和借阅:学校可以公布论文的全部或部分内容,可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。C艿穆畚脑诮饷芎笥ψ袷卮斯娑签名:导师签名:第一章绪论言倒立摆研究历史和发展现状引随着现代科学技术的发展,控制工程所面临的问题越来越复杂。实际的工程控制系统,由于种种原因总是存在一定的不确定性。而如何处理被控对象的不确定性一直是个有待研究的问题。倒立摆是控制理论的一个理想实验平台,针对其不确定性研究具有理论和实际意义【。倒立摆系统已被公认为自动控制理论中的典型实验设备,也是控制理论在教学和科研中不可多得的典型物理模型。倒立摆不仅仅是一种优秀的教学实验仪器,同时也是进行控制理论研究的理想实验平台】。由于倒立摆本身所具有的高阶次、不稳定、多变量、非线性和强耦合特性,又是双足行走机器人和火箭垂直姿态等许多控制对象的最简单模型,许多现代控制理论的研究人员一直把他视为典型的研究对象,用它们来描述线性控制领域中不稳定系统的稳定化和非线性控制领域中的变结构控制、无源性控制、自由行走、非线性观测器、摩擦补偿、非线性模型降阶等控制思想⑶也欢洗又型诰虺鲂碌控制理论和控制方法,相关成果在航空航天、机器人学方面得到了广泛的应用。可见,倒立摆系统的研究既具有意义深远的理论价值,又具有重要的工程背景和实际意义,可以提供从控制理论通往实践的桥梁。倒立摆源于火箭发射器,最初的研究开始于二十世纪年代,由美国麻省理工学院的控制理论专家根据火箭发射助推器原理设计出一级倒立摆实验设备。倒立摆的控制技巧同杂技运动员倒立平衡表演有异曲同工之处,这表明~个不稳定的被控对象,通过人的直觉、采取定性的手段,可以使之具有良好的稳定性。从日常生活中所见到的任何重心在上,支点在下的控制问题,到空间飞行器和各类伺服云台的稳定,都和倒立摆的控制有很大的相似性,故对其的稳定控制在实际中有很多用场,如海上钻井平台的稳定控制、卫星发射架的稳定控制、火箭姿态控制、飞机安全着陆、化工过程控制等都属于这类问题。针对上面的实际问题,启发了人们采用智能控制方法对倒立摆进行控制。因此对倒立摆机理的研究具有重要的理论和实际意义,成为控制理论中经久不衰的研究课题。国外对倒立摆系统的研究可以追朔到六十年代,等人在年首次实辽宁科技大学硕士论文绪、‘八,.⑷铡7椒ǹ刂迫兜沽縪王蟧,.摆【俊辏瑄篏衄瑂鷄,。年,热瞬捎眯⌒图扑慊迪至硕远倒立摆的稳定控制【浚辏怯滞瓿闪硕兜沽谠谇阈惫斓郎系奈榷ǹ刂疲年,他们在二级倒立摆的基础上提出了一种三级倒立摆的稳定控制,并用微型计算机实现