3。5本章小结21

4模糊控制器的仿真和实物验证22

4。1二级倒立摆的状态反馈控制仿真22

4。1。1Simulink模型搭建22

4。1。2仿真结果23

4。2二级倒立摆的模糊控制仿真24

4。2。1Simulink模型搭建24

4。2。2仿真结果24

4。3二级倒立摆模糊控制的实物验证27

4。3。1实验设备介绍27

4。3。2倒立摆系统的工作原理28

4。3。3LQR实时控制程序29

4。3。4模糊控制实时控制程序31

4。4本章小结32

结论33

致谢34

参 考 文 献35

1绪论

1。1倒立摆的研究意义

倒立摆系统深刻揭示了自然界中一条基本规律——只要加入适当有效的控制环节，就能够使一个自然不稳定的被控对象具有良好的稳定性。对倒立摆系统的研究在许多方面显示出其重要性[1]。倒立摆装置是进行理论教学的优秀仪器，它的控制思想和杂技演员顶杆表演的技艺相类似，极具趣味性。倒立摆控制涵盖了许多典型控制问题，例如追踪问题、随动问题以及鲁棒性问题等，它是开展理论研究的理想实验设备。此外，倒立摆控制的动态过程和人类的直立行走类似，提高倒立摆装置的控制品质对解决好机器人直立行走问题具有重要工程意义。倒立摆装置的稳定控制和火箭发射姿态的调整相类似，要不断地进行实时控制。所以，研究倒立摆不但具有重要的理论意义，而且它在工程上也有广泛的应用。

1。2倒立摆系统的分类

1）直线倒立摆系统。它是形式最简单的倒立摆装置，机械机构上由小车、摆杆和直线运动轨道组成。其中小车沿直线导轨运动，具有一个自由度，摆杆一端固定于小车上。电机驱动小车沿轨道运动，轨道有固定的行程，约束了小车的运动行程。

2）环型倒立摆系统。将上文提到的直线倒立摆的直线轨道弯曲成环形轨道，其它部分大致相同的倒立摆装置。机械结构包含水平方向的连杆和一端固定在连杆上的匀质摆杆组件。电机驱动传动机构，传动机构再带动摆杆沿中心的轴线转动。摆杆的运动行程摆脱有限直线轨道的限制。但与此同时，摆杆的圆周运动也带来了不利的离心力的影响，因为离心力是非线性的。

3)平面倒立摆系统。小车运动的维度由1维升为2维，小车能够在平面内自由运动，小车上装有摆杆组件。平面运动模块分为2类:XY运动平台和SCARA运动臂。这就增加了系统的维数，相应地也提高了系统的复杂性和控制器设计的难度。论文网

4）柔性连接倒立摆系统。引入新的自由振荡环节:自由弹簧系统。弹簧装置的振荡频率限制了整个闭环系统的响应频率。 

5）其他形式的倒立摆系统。例如将倒立摆装置放在斜坡上，然后进行相应控制研究，这就模拟了直立机器人在艰难道路上的行走问题。多种多样的倒立摆装置本质上都是非线性欠冗余的机电系统，因此研究它们的手段和方法是共通的。

图1。1显示了各种类型的 。

图1。1各类倒立摆系统

1。3国内外研究情况

1。4本文研究内容

本文研究了二级倒立摆系统的模糊控制器设计，并在倒立摆实物上进行实时控制实验。第二章分析了倒立摆的控制特性和结构，建立了直线二级倒立摆的数学模型。第三章，讨论了模糊控制器的设计原理和设计方法，随后分析并设计了模糊控制器设计的模糊化方法、模糊规则、模糊推理方法和解模糊化。第四章，对所设计的模糊控制器进行实现，并在实际的直线二级倒立摆装置上进行调试、分析和应用。文中运用Simulink进行二级倒立摆的LQR和模糊控制器设计和数字仿真，采用Googol Tech生产的GLIP2003倒立摆系统进行模糊控制器的实物验证。