倒立擺系統(tǒng)的魯棒控制研究.pdf

1、以線(xiàn)性代數(shù)、最優(yōu)化方法等嚴(yán)謹(jǐn)?shù)臄?shù)學(xué)工具為代表的現(xiàn)代控制理論一般是基于被控對(duì)象的精確數(shù)學(xué)模型。但是，通過(guò)機(jī)理推導(dǎo)和模型辨識(shí)等手段得到的數(shù)學(xué)模型往往是不精確的，而且實(shí)際系統(tǒng)在工作過(guò)程中模型會(huì)發(fā)生一定程度的變化，即實(shí)際系統(tǒng)廣泛地存在著不確定性。通過(guò)嚴(yán)謹(jǐn)?shù)臄?shù)學(xué)手段設(shè)計(jì)出來(lái)的控制器，在實(shí)際系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)，其理論上預(yù)期的性能指標(biāo)是很難實(shí)現(xiàn)的，甚至穩(wěn)定性都無(wú)法保證。這就對(duì)現(xiàn)代控制理論提出了一個(gè)非常重要的課題—魯棒控制。即，在建立數(shù)學(xué)模型和設(shè)計(jì)控制器的過(guò)程

2、中，如何考慮不確定性的影響，并且基于有關(guān)不確定性的不完整信息設(shè)計(jì)不依賴(lài)于不確定性的控制器，使系統(tǒng)滿(mǎn)足期望的性能指標(biāo)。 倒立擺系統(tǒng)具有多變量、高階次、嚴(yán)重非線(xiàn)性、絕對(duì)不穩(wěn)定等特性，在其控制過(guò)程能有效反映控制中的許多關(guān)鍵問(wèn)題，如鎮(zhèn)定性問(wèn)題、非線(xiàn)性問(wèn)題和魯棒性問(wèn)題等。因此，倒立擺系統(tǒng)常用來(lái)檢驗(yàn)控制理論的有效性，其研究過(guò)程不僅具有意義深遠(yuǎn)的理論價(jià)值，又具有重要的工程背景和實(shí)際意義。 針對(duì)倒立擺系統(tǒng)的魯棒控制這一理論課題，本文主要

3、研究了以下幾方面的內(nèi)容： 1．對(duì)倒立擺系統(tǒng)的組成及其工作原理進(jìn)行了研究，重新推導(dǎo)了系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型，并分析倒立擺控制系統(tǒng)的魯棒性、脆弱性及主要干擾源。 2．應(yīng)用滑模變結(jié)構(gòu)控制理論對(duì)倒立擺系統(tǒng)的穩(wěn)定控制進(jìn)行了研究，基于線(xiàn)性二次型最優(yōu)理論和狀態(tài)空間模式下極點(diǎn)配置理論設(shè)計(jì)了滑動(dòng)模面，進(jìn)而得到了基于滑模變結(jié)構(gòu)控制理論的狀態(tài)反饋控制器，分別對(duì)直線(xiàn)一級(jí)倒立擺和二級(jí)倒立擺系統(tǒng)成功進(jìn)行了實(shí)體控制。 3．應(yīng)用H<,∞>控制理論對(duì)倒立

4、擺系統(tǒng)的穩(wěn)定控制進(jìn)行了研究，利用DGKF方法設(shè)計(jì)了H<,∞>輸出反饋魯棒控制器。對(duì)于倒立擺系統(tǒng)這類(lèi)非最小相位不穩(wěn)定系統(tǒng)，本文采用雙閉環(huán)控制結(jié)構(gòu)，基于經(jīng)典控制理論設(shè)計(jì)內(nèi)環(huán)控制器對(duì)不穩(wěn)定模態(tài)進(jìn)行鎮(zhèn)定，外環(huán)采用H<,∞>理論設(shè)計(jì)魯棒控制器對(duì)整個(gè)系統(tǒng)進(jìn)行控制。 4．完成基于Simulink仿真平臺(tái)的計(jì)算機(jī)仿真后，采用基于MATIAB軟件的控制界面，分別將上述研究過(guò)程得到的控制器應(yīng)用到固高公司生產(chǎn)的直線(xiàn)倒立擺實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)中，在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中調(diào)整控