倒立擺系統(tǒng)研究意義歷史與現(xiàn)狀

倒立擺系統(tǒng)研究意義歷史與現(xiàn)狀TOC\o"1-5"\h\z\o"CurrentDocument"1倒立擺系統(tǒng)研究的意義 1\o"CurrentDocument"2倒立擺的種類 2\o"CurrentDocument"(1)直線倒立擺 2\o"CurrentDocument"(2)環(huán)形倒立擺 3\o"CurrentDocument"(3)平面倒立擺 3\o"CurrentDocument"(4)柔性連接倒立擺 4Acrobot、Penduot等其他形式的倒立擺 4\o"CurrentDocument"3倒立擺研究的歷史與現(xiàn)狀 4\o"CurrentDocument"倒立擺系統(tǒng)在國外的研究現(xiàn)狀 4\o"CurrentDocument"倒立擺系統(tǒng)在國內(nèi)的研究現(xiàn)狀 51倒立擺系統(tǒng)研究的意義倒立擺系統(tǒng)是一個典型的高階次、多變量、嚴重不穩(wěn)定和強耦合的非線性系統(tǒng)，是控制理論研究中理想的被控制對象， 它為控制理論的教學(xué)、實驗和科研構(gòu)建了一個良好的實驗平臺。由于倒立擺具有以上特點，使得人們一直將它視為典型的研究對象，不斷地從中發(fā)掘和檢驗新的控制策略。迄今人們已經(jīng)利用經(jīng)典控制理論、現(xiàn)代控制理論以及各種智能控制理論實現(xiàn)了多種倒立擺系統(tǒng)的穩(wěn)定控制。20世紀90年代以來，各種復(fù)雜的倒立擺系統(tǒng)不斷地采用不同的控制方法，極大的促進了控制理論的發(fā)展，同時這些新的控制方法又在航天航空控制和機器人控制方面的得到了廣泛的應(yīng)用。在控制理論發(fā)展的過程中，某一理論的正確性及在實際應(yīng)用中的可行性需要一個按其理論設(shè)計的控制器去控制一個典型對象來驗證這一理論， 倒立擺就是這樣的一個典型的被控對象。倒立擺的典型性在于：作為一個實驗裝置，它成本低廉、結(jié)構(gòu)簡單、形象直觀、構(gòu)件組成參數(shù)和形狀易于改變、便于實現(xiàn)模擬和數(shù)字兩種不同的控制方式；作為一個被控對象又相當(dāng)復(fù)雜，就其本身而言，是一個高階次、不穩(wěn)定、多變量、非線性、強耦合的快速系統(tǒng)，只有采用行之有效的控制方法才能使之穩(wěn)定。此外對于倒立擺的穩(wěn)定控制，會涉及到控制理論中的許多關(guān)鍵性問題，比如非線性問題、系統(tǒng)的魯棒性問題、隨動問題、鎮(zhèn)定問題及跟隨問題等等。倒立擺系統(tǒng)可以用多種理論和方法來實現(xiàn)其穩(wěn)定控制， 如PID、自適應(yīng)、狀態(tài)反饋、智能控制、模糊控制及人工神經(jīng)元網(wǎng)絡(luò)等多種理論和方法都能在倒立擺系統(tǒng)控制上得到實現(xiàn)。當(dāng)一種新的控制理論和方法提出以后，在不能用理論加以嚴格證明時，可以考慮通過倒立擺裝置來驗證其正確性和實用性， 因此對于倒立擺系統(tǒng)的研究在理論上有著深遠的意義。近年來，國內(nèi)外的大量專家學(xué)者對一級、二級和三級等倒立擺進行了大量的研究，試圖尋找不同的控制方法來實現(xiàn)對倒立擺的控制，以便檢驗這些算法對嚴重非線性和絕對不穩(wěn)定系統(tǒng)的控制能力。同時對倒立擺系統(tǒng)進行控制，其穩(wěn)定效果非常明了，可以通過擺桿角度、小車位移和穩(wěn)定時間直接來量度，這樣控制算法的好壞就可以很直觀的定性判斷出來。倒立擺的研究不僅有其深刻的理論意義，同時還有重要的工程背景。從日常生活中所見到的任何重心在上、支點在下的控制問題，到空間飛行器和各種伺服云臺的穩(wěn)定，都和倒立擺的控制有很大的相似性，故對其的穩(wěn)定控制在實際中有很多應(yīng)用，如海上鉆井平臺的穩(wěn)定控制、衛(wèi)星發(fā)射架的穩(wěn)定控制、飛機安全著陸、化工過程控制等都屬于這類問題。同時其動態(tài)過程與人類的行走姿態(tài)類似，其平衡與火箭的發(fā)射姿態(tài)調(diào)整類似，因此倒立擺在研究雙足機器人直立行走、火箭發(fā)射過程的姿態(tài)調(diào)整和直升飛機控制領(lǐng)域中也有重要的現(xiàn)實意義， 相關(guān)的科研成果已經(jīng)應(yīng)用到航天科技和機器人學(xué)等諸多領(lǐng)域。在多種控制理論與方法的研究和應(yīng)用中，特別是在工程實踐中，也存在一種可行性的試驗問題?？刂评碚撛诋?dāng)前的工程技術(shù)界主要是如何面向工程實際、 面向工程應(yīng)用的問題，一項工程的實施也存在一種可行性的試驗問題，用一套較好的、較完備的試驗設(shè)備，將其理論及方法進行有效的檢驗，倒立擺可以為此提供一個從控制理論通往實踐的橋梁。通過倒立擺實驗，可以對控制理論和控制方法的正確性以及實用性加以驗證，對各種方法進行快捷、有效、生動的比較，是一種有效的物理證明方法。因此，研究倒立擺系統(tǒng)具有很高的理論和實踐意義。 目前對倒立擺系統(tǒng)的研究已經(jīng)引起國內(nèi)外學(xué)者的廣泛關(guān)注， 是控制領(lǐng)域研究的熱門課題之一。2倒立擺的種類倒立擺系統(tǒng)按照擺桿的運動形式來分可以分為以下幾種：(1)直線倒立擺直線倒立擺也被成為“小車-倒立擺系統(tǒng)”：是由可以沿直線導(dǎo)軌運動的小車以及一端固定于小車之上的勻質(zhì)長桿組成的系統(tǒng)。小車可以通過傳動裝置由力矩電機、步進電機、直流電機或者交流伺服電機驅(qū)動，小車的導(dǎo)軌一般有固定的行程，因而小車的運動范圍是受到限制的。(2)環(huán)形倒立擺環(huán)形倒立擺可以被看成將直線倒立擺的直線導(dǎo)軌彎曲而成的系統(tǒng)。 它一般是由水平放置的連桿以及一端固定于連桿末端的勻質(zhì)長桿組成， 連桿是通過傳動機構(gòu)由電機驅(qū)動沿中心的軸線轉(zhuǎn)動，如圖1右上角所示。這種形式擺脫了擺桿運動行程受到限制這一不利的因素，但是擺桿的圓周運動帶來了另外的一種不利的非線性因素：離心力的作用。圖1環(huán)形倒立擺與平面倒立擺(3)平面倒立擺平面倒立擺的勻質(zhì)擺桿的底端可以在平面內(nèi)自由運動， 并且擺桿可以沿平面內(nèi)的任一軸線轉(zhuǎn)動，如圖1.1左下角所示。這樣系統(tǒng)可運動的緯數(shù)增加了，從而系統(tǒng)的復(fù)雜性和控制器設(shè)計的難度也相應(yīng)的增加。根據(jù)倒立擺擺桿底端運動平臺裝置的不同，驅(qū)動的數(shù)目可能不相同，但是至少需要兩個驅(qū)動電機驅(qū)動。一般可以采用X-Y平臺、二自由度并聯(lián)機構(gòu)或者二自由度SCARA機械臂作為平面倒立擺系統(tǒng)的運動平臺。(4)柔性連接倒立擺柔性連接倒立擺是在直線倒立擺系統(tǒng)的基礎(chǔ)上引入了新的自由振蕩環(huán)節(jié)：自由彈簧系統(tǒng)。由于閉環(huán)系統(tǒng)的響應(yīng)頻率受到彈簧系統(tǒng)振蕩頻率的限制，增加了對控制器設(shè)計的限制。通過對系統(tǒng)動態(tài)特性的分析，彈簧彈性系數(shù)越小，對電機驅(qū)動的響應(yīng)頻率要求越快，系統(tǒng)越是趨于臨界阻尼的狀態(tài)。(5)Acrobot、Penduot等其他形式的倒立擺這幾種倒立擺主要是機械結(jié)構(gòu)不同，其被控對象的本質(zhì)為非線性欠冗余機電系統(tǒng)沒有發(fā)生變化，因而對系統(tǒng)的研究內(nèi)容和手段是一樣的。按照倒立擺的級數(shù)來分：有一級倒立擺、二級倒立擺、三級倒立擺和四極倒立擺，一級倒立擺常用于控制理論的基礎(chǔ)實驗，多極倒立擺常用于控制算法的研究。倒立擺的級數(shù)越高，其控制的難度就越大，目前可以實現(xiàn)的倒立擺控制最高為四級倒立擺。3倒立擺研究的歷史與現(xiàn)狀倒立擺系統(tǒng)研究始于20世紀50年代，早期主要集中在直線倒立擺的建模和擺桿的平衡控制(即所謂的鎮(zhèn)定問題)這兩個方面問題的研究。隨著現(xiàn)代控制理論的發(fā)展，尤其是多變量線性系統(tǒng)理論及最優(yōu)理論的發(fā)展， 70年代之后關(guān)于倒立擺系統(tǒng)的研究吸引了更多人的關(guān)注。80年代后期，隨著模糊控制理論的快速發(fā)展，用模糊控制理論來控制倒立擺受到廣泛的重視。自 90年代初，神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制倒立擺的研究得到了快速的發(fā)展，神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制倒立擺以自學(xué)習(xí)為基礎(chǔ)，用一種全新的概念進行信息處理，顯示出巨大的潛力。神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)方法用于倒立擺控制系統(tǒng)的研究取得了很大的進展。此后的十來年，國內(nèi)外眾多學(xué)者對倒立擺系統(tǒng)的研究更加深入，而且取得了很多實質(zhì)性的突破。倒立擺系統(tǒng)在國外的研究現(xiàn)狀國外對倒立擺的研究起步很早，早在上世紀60年代就開始對一級倒立擺系統(tǒng)進行研究。在60年代后期，作為一個典型的不穩(wěn)定、嚴重非線性例證提出了倒立擺的概念，并用其檢驗控制方法對不穩(wěn)定、非線性和快速性系統(tǒng)的控制能力。1966年Schacfer等人應(yīng)用bang—bang控制原理實現(xiàn)了單級倒立擺的穩(wěn)定控制。

1972年Sturegeon和Loscutoff應(yīng)用極點配置法對二級倒立擺設(shè)計了模擬控制器并使用了全緯觀測器。1976年S.Mori等設(shè)計的前饋—反饋復(fù)合控制器實現(xiàn)了一級倒立擺的穩(wěn)定控制，并首先把倒立擺系統(tǒng)在平衡點附近線性化， 利用狀態(tài)空間的方法設(shè)計出比例微分控制器。1977年日本K.Furuta教授研究組成功的穩(wěn)定了二維單級倒立擺，1978年K.Furuta等人采用微機處理實現(xiàn)了二級倒立擺的控制，1980年他們又完成了二級倒立擺在傾斜軌道上的穩(wěn)定控制，后來在 1984年，他們應(yīng)用最優(yōu)狀態(tài)調(diào)節(jié)器理論實現(xiàn)了具有雙電機的三級倒立擺的控制， 并且采用精確線性化和近似線性化相結(jié)合的最優(yōu)控制方法，實現(xiàn)了二級平面倒立擺的仿真與控制。1984年，Wattes研究了利用LQR(LinearQuadraticRegulator)方法控制控制倒立擺，并驗證了改變性能矩陣Q和R可以得到不同的狀態(tài)反饋量，從而產(chǎn)生不同的控制效果。從八十年代后期開始，倒立擺系統(tǒng)中的非線性特性得到較多的研究，并提出了一系列基于非線性分析的控制策略。1988年ChariesW.Andorsonft應(yīng)用自學(xué)習(xí)模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)成功控制了一級擺，1992年Furuta等人提出了倒立擺系統(tǒng)的變結(jié)構(gòu)控制，1995年Fradkov等人提出了倒立擺基于無源性的控制。另外Wiklund等人應(yīng)用基于李亞普諾夫的方法控制了環(huán)形一級倒立擺，Yamakita等人給出了環(huán)形二級倒立擺的實驗結(jié)果。 1997年日本的科研工作者們成功的實現(xiàn)了對平面倒立擺的控制，獲得了非常好的控制效果，與此同時，瑞士國家工程研究院的BemhardSprenge等實現(xiàn)了直線運動機械臂的平面倒立擺的控制，并且具有很好的魯棒性。倒立擺系統(tǒng)在國內(nèi)的研究現(xiàn)狀國內(nèi)是從80年代開始對倒立擺進行研究的，1982年西安交通大學(xué)完成了二級倒立擺系統(tǒng)的研究和控制，采用了最優(yōu)控制和降緯觀測器，以模擬電路實現(xiàn)；1983年國防科技大學(xué)完成了一級倒立擺系統(tǒng)的研究和控制； 1987年上海機械學(xué)院完成了一、二級倒立擺系統(tǒng)的研制，并且完成了二級倒立擺在傾斜軌道上的控制。北京航空航天大學(xué)張明廉教授領(lǐng)導(dǎo)的課題組，提出了“擬人智能控制理論”框架，并于1994年8月成功地實現(xiàn)單電機控制的三級倒立擺。1995年任章等應(yīng)用振蕩控制理論，通過在倒立擺支撐點的垂直方向上加入一個零均值的高頻振蕩信號，改善了倒立擺系統(tǒng)本身的穩(wěn)定。1996年翁正新等利用帶觀測器的H笛狀態(tài)反饋控制器對二級倒立擺系統(tǒng)進行了仿真控制1997反饋控制器對二級倒立擺系統(tǒng)進行了仿真控制1997年翁正新等利用同樣的方法對傾斜軌道上的二級倒立擺進行了仿真控制。 1998年蔣國飛等將Q學(xué)習(xí)算法和BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)有效結(jié)合，實現(xiàn)了狀態(tài)未離散化的倒立擺的無模型學(xué)習(xí)控制。劉妹琴等用進化RBF神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制二級倒立擺。2001年單波等利用基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的預(yù)測控制算法對倒立擺的控制進行了仿真。我國的倒立擺研究雖然起步比較晚，但是隨著用于倒立擺系統(tǒng)的控制理論和方法的廣泛應(yīng)用， 國內(nèi)很多大學(xué)和科研機構(gòu)都對倒立擺進行了大量卓有成效的研究工作。 現(xiàn)在，我國的倒立擺研究在某些方面已經(jīng)走在了世界的前列。李德毅院士在國際上最早提出“隸屬云”理論，并用該方法實現(xiàn)了三級倒立擺的智能控制；北京師范大學(xué)李洪興教授的變論域模糊控制算法，也成功的應(yīng)用于三級倒立擺的控制，效果極佳； 2002年8月，李洪興教授