直线型一阶倒立摆1---概念篇

一、倒立摆系统的研究目的和意义

     倒立摆控制系统（InvertedPendulumSystem简称IPS）是一个复杂的、不稳定的、非线性系统，是进行控制理论教学及开展各种控制实验的理想实验平台。倒立摆的典型性在于：作为被控对象，它是一个高阶次、不稳定、多变量、非线性、强耦合的复杂被控系统，可以有效地反应出控制中的许多问题。

     对倒立摆系统的研究能有效的反映控制中的许多典型问题：如非线性问题、鲁棒性问题、镇定问题、随动问题以及跟踪问题等。通过对倒立摆的控制，用来检验新的控制方法是否有较强的处理非线性和不稳定性问题的能力。同时，其控制方法在军工、航天、机器人和一般工业过程领域中都有着广泛的用途，如机器人行走过程中的平衡控制、火箭发射中的垂直度控制和卫星飞行中的姿态控制等。

    倒立摆的种类有很多，接其澎式可分为：悬挂式倒立摆、旋转式倒立摆、环形倒立摆和平面倒立摆；按级数可分为：一级、二级、三级、四级、多级等；接其运动轨道可分为：水平式、倾斜式；按控制电机 又可分为：单电机和多级电机。

    研究倒立摆系统具有的挑战意义不仅仅是由于级数的增加而产生的控制难度，并且由于他的本身所具有的复杂性、不稳定性以及非线性的特点进而不断研究拓展的新的理论方法，以应用到新的控制对象中，提供更好的实验理论和实验平台。对于机器人的直立行走，航天飞行器的飞行平稳控制都具有非常大的意义，不断进行理论与工业的实践结合，推动科学技术的发展，更加广泛的应用到经济活动中。这对于航空航天技术的进步具有非常大的理论意义和实际意义，具有非常广阔的研究前景。

二、直线型一阶倒立摆原理

    倒立摆系统大致可以分为控制器、运动平台、受控杆三部分。直线型一阶倒立摆的控制器可以用计算机或者单片机实现，运动平台为直线型、受控杆为均匀质量铁杆。受控杆与运动平台相连。

     直线型一阶倒立摆受控过程如下：

                         状态一:系统处于自然稳定状态即受控杆自然下垂、运动平台速度为零、控制器未工作。

                         状态二:控制器工作，驱动运动平台运动，在惯性作用下，受控杆摆动。称为起摆状态。具体的解决控制方法有能量起摆

                          状态三:受控杆稳定控制，当受控杆上升到模型预计的小角度范围时，启动该控制算法。

                          状态四:受控杆稳定。倒立摆从自然稳定状态进入受控稳定状态。

 上述为倒立摆从自然稳定状态转移至受控稳定状态的控制过程。当然，采用不同的控制算法，其控制表述可能不同，当其最终目的一致。

倒立摆视频汇总:自动学习起摆和稳定一阶倒立摆

                          VREP仿真之直线型一阶倒立摆:起摆与稳摆 

附上Alan V. Oppenheim/奥本海姆对倒立摆的讲解：反馈举例-倒立摆

其它博文链接：直线型一阶倒立摆1---概念篇

                         直线型一阶倒立摆2---建模

                         直线型一阶倒立摆3---控制器设计

                         直线型一阶倒立摆4---能量起摆

                         直线型一阶倒立摆5---硬件平台搭建

                         直线型一阶倒立摆6---软件设计

                            直线型一阶倒立摆7---总结

有需要直线型一阶倒立摆的VREP仿真文件:可点击