基于反饋線性化的一級(jí)倒立擺穩(wěn)定控制.pdf

1、非線性是自然界和工程技術(shù)里普遍存在的現(xiàn)象,因此,對(duì)非線性問題的研究就顯得尤為重要。作為一個(gè)典型的不穩(wěn)定的非線性系統(tǒng),倒立擺系統(tǒng)具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、成本低、便于用各種方法進(jìn)行控制的特點(diǎn),因而常被人們用來檢驗(yàn)各種控制方法的優(yōu)劣。倒立擺系統(tǒng)的控制是自動(dòng)控制領(lǐng)域中典型的非線性控制問題,被廣泛應(yīng)用于航天、航空、航海和工業(yè)過程等領(lǐng)域,是控制理論教學(xué)和科研的典型的物理模型,是非線性控制領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)。然而,作為成熟的控制理論,經(jīng)典控制理論和現(xiàn)代控制理論需要

2、對(duì)模型中的非線性項(xiàng)做線性化處理,這使得經(jīng)典控制理論和現(xiàn)代控制理論只能在較小范圍內(nèi)控制倒立擺系統(tǒng),且實(shí)驗(yàn)結(jié)果與工程應(yīng)用、教學(xué)和科研上的高精度要求仍有一定差距。
　　隨著高新技術(shù)的發(fā)展,人們對(duì)發(fā)展和應(yīng)用非線性控制方法表現(xiàn)出強(qiáng)烈的興趣。通過使用非線性控制,可以控制性能,可以進(jìn)行硬非線性特性分析,可以對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行不確定性處理,可使設(shè)計(jì)更加簡(jiǎn)化。反饋線性化方法是一種比較先進(jìn)的非線性控制方法,它不需要忽略掉任何高階非線性項(xiàng),這使得經(jīng)過反饋線性化

3、后的模型更切近于實(shí)際系統(tǒng),實(shí)際控制效果更好。
　　本文主要研究了反饋線性化方法在倒立擺系統(tǒng)穩(wěn)定控制中的應(yīng)用,本文以一級(jí)倒立擺系統(tǒng)為控制對(duì)象,闡述了倒立擺穩(wěn)定控制的研究現(xiàn)狀以及倒立擺系統(tǒng)的研究意義,用分析力學(xué)中的牛頓力學(xué)方法建立一級(jí)倒立擺的數(shù)學(xué)模型,并根據(jù)線性系統(tǒng)理論,對(duì)線性化后的模型做定性分析,分析結(jié)果表明此模型具有不穩(wěn)定性、可控性、可觀性。同時(shí),本文利用LQR理論設(shè)計(jì)了控制器,并進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn),仿真結(jié)果表明了該控制器的有效性。但是

4、,該控制器有控制范圍較小、響應(yīng)時(shí)間長(zhǎng)、超調(diào)量大等不足。
　　為了改進(jìn)控制性能,本文詳細(xì)地介紹了反饋線性化的相關(guān)理論,并根據(jù)反饋線性化的相關(guān)理論推導(dǎo)出反饋線性化設(shè)計(jì)穩(wěn)定控制器的步驟。根據(jù)此設(shè)計(jì)方法,通過引入非線性反饋,把非線性的倒立擺系統(tǒng)轉(zhuǎn)化為線性系統(tǒng)。而后,結(jié)合現(xiàn)代控制理論,本文設(shè)計(jì)完成基于反饋線性化控制器。為了更好地實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)仿真,本文介紹了針對(duì)控制系統(tǒng)的仿真軟件simu,利用此控制器在simu中對(duì)模型進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn),仿真結(jié)果表明該