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倒立擺
鎖定
倒立擺,Inverted Pendulum ,是典型的多變量、高階次 ,非線性、
強耦合、自然不
穩定系統。倒立擺系統的穩定控制是
控制理論中的典型問題 ,在倒立擺的
控制過程中能有效反映控制理論中的許多關鍵問題 ,如非線性問題、
魯棒性問題、隨動問題、鎮定、跟蹤問題等。因此倒立擺系統作為控制
理論教學與科研中典型的
物理模型 ,常被用來檢驗新的控制理論和算法的正確性及其在實際應用中的
有效性。從 20 世紀 60 年代開始 ,各國的專家學者對倒立擺系統進行了不懈的研究和探索。
- 中文名
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倒立擺
- 外文名
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Inverted Pendulum
- 類 別
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控制系統
- 用 途
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控制理論教學及控制實驗
倒立擺基本信息
倒立擺控制系統:Inverted Pendulum System (IPS)
倒立擺
控制系統是一個複雜的、不穩定的、
非線性系統,是進行控制
理論教學及開展各種
控制實驗的理想
實驗平台。對倒立擺系統的研究能有效的反映控制中的許多典型問題:如
非線性問題、
魯棒性問題、鎮定問題、隨動問題以及跟蹤問題等。通過對倒立擺的控制,用來檢驗新的控制方法是否有較強的處理非線性和
不穩定性問題的能力。同時,其控制方法在軍工、航天、機器人和一般工業過程領域中都有着廣泛的用途,如機器人行走過程中的平衡控制、火箭發射中的
垂直度控制和衞星飛行中的
姿態控制等。
倒立擺分類
倒立擺系統按
擺杆數量的不同,可分為一級,二級,三級倒立擺等,多級擺的擺杆之間屬於自由連接(即無電動機或其他驅動設備)。由中國的
大連理工大學李洪興教授領導的“
模糊系統與模糊信息研究中心”暨
複雜系統智能控制實驗室採用變
論域自適應模糊控制成功地實現了四級倒立擺。因此,中國是世界上第一個成功完成四級倒立擺實驗的國家。
倒立擺控制目標
倒立擺的控制問題就是使擺杆儘快地達到一個
平衡位置,並且使之沒有大的振盪和過大的角度和速度。當擺杆到達期望的位置後,系統能克服
隨機擾動而保持穩定的位置。
倒立擺控制方法
倒立擺系統的輸入為小車的位移(即位置)和擺杆的傾斜角度
期望值,計算機在每一個
採樣週期中採集來自傳感器的小車與擺杆的實際位置信號,與期望值進行比較後,通過
控制算法得到控制量,再經
數模轉換驅動
直流電機實現倒立擺的
實時控制。直流電機通過皮帶帶動小車在固定的軌道上運動,擺杆的一端安裝在小車上,能以此點為軸心使擺杆能在垂直的平面上自由地擺動。
作用力F平行於鐵軌的方向作用於小車,使杆繞小車上的軸在
豎直平面
內旋轉,小車沿着水平鐵軌運動。當沒有作用力時,擺杆處於垂直的穩定的平衡位置(
豎直向下)。為了使杆子擺動或者達到豎直向上的穩定,需要給小車一個控制力,使其在軌道上被往前或朝後拉動。