基于模糊滑模变结构的直线电机倒立摆系统控制方法研究

摘要

作为典型的快速、多变量、非线性、强耦合的自然不稳定系统，倒立摆系统只有采取有效的控制方法才能使之稳定，它成为验证各种控制算法有效性的重要实验平台，对倒立摆系统的控制算法的研究具有重要的理论意义和工程应用价值，其研究成果在航空航天及一般工业应用等领域有广阔的开发应用前景。
　　 本文以直线电机倒立摆系统为被控对象，研究了模糊控制和滑模变结构控制在这种倒立摆系统中的应用;针对变结构控制过程中系统出现的抖振问题进行研究，提出模糊控制和滑模变结构控制相结合的复合控制策略以削弱抖振，并保持滑模变结构控制的良好特性。
　　 文中在阐述了倒立摆系统控制方法的研究进展和研究现状之后，介绍了倒立摆系统的物理结构模型，并详细推导了一级、二级倒立摆系统的状态空间方程。
　　 将模糊控制方法和滑模变结构控制方法分别应用于该倒立摆系统上，进行控制器的设计实现稳定控制，通过MATLAB/SIMULINK仿真试验，验证了这两种控制方法在直线电机倒立摆系统上的可行性，并分析出各自适用的摆杆角度范围。
　　 针对滑模变结构控制时系统出现的抖振问题，分析了产生的原因和削弱的方法，提出模糊控制和滑模变结构控制相结合的复合控制策略，以削弱抖振但还能保持滑模变结构控制的优良特性。然后运用复合控制方法设计控制器，在MATLAB/SIMULINK下进行仿真试验，从仿真结果上可以看出系统的抖振有所减弱。
　　 最后，分别将模糊控制、滑模变结构控制以及复合控制方法在实物系统上进行实验，成功将这三种控制方法应用到了直线电机倒立摆系统上，实验证明了三种控制方法在直线电机倒立摆系统上的可行性及有效性，并对实验结果进行比较分析，可以看出采用复合控制方法控制的系统抖振削弱了并且还保持了滑模变结构控制的良好特性。

目录

声明

摘要

1 绪论

1．1 倒立摆系统的研究背景及意义

1．2 直线倒立摆系统概述

1．3 倒立摆系统国内外研究进展及其主要控制方法

1．3．1 倒立摆系统国内外研究进展

1．3．2 倒立摆系统主要控制方法

1．4 论文研究的主要内容

2 倒立摆系统建模与分析

2．1 倒立摆系统工作原理

2．2 一级倒立摆系统的数学模型的建立

2．2．1 一级倒立摆的物理结构

2．2．2 受力分析

2．2．3 数学模型的建立

2．3 二级倒立摆系统数学模型的建立

2．3．1 二级倒立摆的物理结构

2．3．2 数学模型的建立

2．4 倒立摆系统的定性分析

2．4．1 一级倒立摆系统的定性分析

2．4．2 二级倒立摆系统的定性分析

2．5 本章小结

3 倒立摆系统模糊控制器的设计及仿真

3．1 模糊控制简介及其优点

3．1．1 模糊控制系统的工作原理及构成

3．1．2 模糊控制器的常见结构

3．1．3 模糊控制器的设计过程

3．2 倒立摆系统的模糊控制

3．3 融合函数的构造

3．4 一级倒立摆系统的模糊控制仿真

3．4．1 一级倒立摆降维矩阵的构造

3．4．2 SIMULINK环境下进行仿真

3．5 二级倒立摆系统的模糊控制仿真

3．5．1 二级倒立摆降维矩阵的构造

3．5．2 SIMULINK环境下进行仿真

3．6 本章小结

4 倒立摆系统的滑模变结构控制及模糊滑模变结构控制

4．1 滑模变结构控制简介

4．1．1 滑模控制的基本概念

4．1．2 滑模运动的机理

4．1．3 滑动模态的存在及到达条件

4．1．4 滑模控制器设计步骤

4．2 倒立摆系统滑模变结构控制器的设计过程

4．2．1 切换函数的设计

4．2．2 控制律的设计

4．3 一级倒立摆系统滑模变结构控制器的设计及仿真

4．3．1 切换函数的确定

4．3．2 变结构控制律的设计

4．3．3 仿真

4．4 二级倒立摆系统滑模变结构控制器的设计及仿真

4．4．1 切换函数的确定

4．4．2 设计变结构控制律

4．4．3 仿真

4．5 产生抖振的原因及削弱抖振的方法

4．5．1 产生抖振的原因

4．5．2 削弱抖振的方法

4．6 倒立摆系统的模糊滑模变结构控制器的设计及仿真

4．6．1 一级倒立摆系统模糊滑模变结构控制器的设计及仿真

4．6．2 二级倒立摆模糊滑模变结构控制器的设计及仿真

4．7 本章小结

5 倒立摆实物系统的实验与分析

5．1 倒立摆实物系统结构

5．1．1 倒立摆实物结构

5．1．2 控制箱

5．1．3 cSPACE控制算法开发界面

5．1．4 cSPACE开发界面的操作步骤

5．2 一级倒立摆系统的实验

5．2．1 控制系统的硬件连接

5．2．2 实物控制实验

5．2．3 结果与分析

5．3 本章小结

6 总结与展望

致谢

参考文献

附录A 攻读学位期间所发表的学术论文目录