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倒立摆自上个世纪50年代,被麻省理工学院的控制理论专家根据火箭助推器运行过程中的特点和原理首次提出,引起科学界的广泛关注。因为倒立摆具有不稳定、非线性、强耦合、多变性等特点,能够简单快捷的检验出各种控制理论准确性、可镇定性、鲁棒性、随动性、快速性,成为检验控制策略的试金石。九点控制理论发展至今,几乎没有人应用它对单级倒立摆进行有效的控制。如何应用九点控制理论对倒立摆进行有效控制,成了一个重要的问题。
文章的分析过程主要分为以下几个部分。首先研究单级倒立摆控制系统的组成。对单级倒立摆的硬件部分进行分析研究,根据单级倒立摆硬件系统的物理模型,运用机理法对其进行数学建模,得到单级倒立摆的数学模型。然后分析九点控制器的原理和结构,主要研究九点控制器九个控制策略的工作原理。其次依据九个工况而制定的控制策略工作原理,在单级倒立摆实物控制试验中对不同的工况分别进行分析,重点研究九点控制器的九个控制策略在单级倒立摆控制中的不同作用。通过实验得到实验数据,依据实验数据对九点控制器的九个工况进行研究,得到一组较为合理的工况配置方案。通过选用九点控制器、PID控制器、LQR控制器三种控制算法对单级倒立摆分别进行有效的实物控制。同时通过试验数据对三种控制策略在单级倒立摆中的控制效果进行比较,分析出三种不同控制算法的特点。最后设计网络控制的系统框图和网络单级倒立摆控制的程序,根据试验数据分析最终的控制效果。
九点控制器对单级倒立摆的有效控制,证明了九点控制器在实际操作中的鲁棒性、随动性、快速性等方面表现良好。通过与其他控制算法的对比,证明了九点控制器具有结构简单,对不同性能指标具有直接调节作用等优良特点。本文总结了九点控制器在单级倒立摆上的的实践经验,对九点控制器的发展做了一些工作。