直线倒立摆的变结构稳定控制研究

直线倒立摆是我国高校控制实验室里的经典设备,对这样一个多变量、高度非线性、强耦合的自然不稳定系统所进行的稳定控制性能研究,既有着重要的理论意义,又有很实际的工程实践指导价值。滑模变结构控制具有独特的鲁棒性能以及对匹配不确定性和外干扰的完全适应性等特点,本文在掌握滑模变结构控制理论的国内外研究现状的基础上,理论联系实际,将滑模变结构控制理论分别应用于一级和二级直线倒立摆中,对小车和摆杆进行了稳定控制和实时控制的相关研究。针对一级直线倒立摆系统,应用基于符号函数的指数趋近律变结构控制方法,仿真结果中出现了剧烈抖振问题。引入饱和函数对变结构控制器加以改进,结果表明,采用饱和函数的控制律虽能有效地削弱系统抖振,提高了系统的控制品质,但其鲁棒性能不强。在直线倒立摆控制系统仿真平台上将这两种控制方案编写C-MEX文件S-Function程序,均成功地实现了一级倒立摆系统的变结构实时控制。分别将指数趋近律的滑模变结构控制、基于饱和函数和连续函数的准滑模变结构控制和模糊趋近律的滑模变结构控制策略应用于二级直线倒立摆系统中,结果表明,单一的变结构控制器能够对直线倒立摆系统起到稳定控制的作用,但系统会出现强烈的抖振。即使在此基础上引入饱和函数或连续函数等改进控制器方案,使抖振得到抑制,但系统的控制品质将会有所下降。而结合模糊控制后的模糊变结构控制策略,不但可以通过削弱抖振改善系统的控制品质,而且还可以维持系统的强鲁棒性。