倒立擺系統(tǒng)的發(fā)展研究以及意義

韓復(fù)健

（河北大學(xué)電子信息工程學(xué)院,河北 保定 071000）

1 倒立擺研究的背景

隨著控制理論、計算機技術(shù)、以及信息技術(shù)的飛速發(fā)展很多新的理論和控制算法不斷地出現(xiàn)倒立擺系統(tǒng)逐漸被人們用來檢驗控制方法的有效性。通過人們的不斷研究拓展，倒立擺系統(tǒng)已經(jīng)由一級發(fā)展到了二級、三級、四級乃至更多級，并且產(chǎn)生了平面倒立擺、平行倒立擺、環(huán)形倒立擺等多樣式倒立擺，其控制手段也是多種多樣的。由于其結(jié)構(gòu)簡單，價格低廉，物理結(jié)構(gòu)和參數(shù)容易調(diào)整等特點，在工業(yè)和航天業(yè)中的控制系統(tǒng)中倒立擺系統(tǒng)有很大的應(yīng)用舞臺，對倒立擺系統(tǒng)理論的研究都有著深遠(yuǎn)的意義，是人們生活、學(xué)習(xí)、以及對于控制方法和理論的驗證具有非常大的意義。

任何理論的研究都是為了適應(yīng)現(xiàn)實的需要，倒立擺系統(tǒng)也是一樣，它的理論研究具有很重要的工業(yè)、軍事和經(jīng)濟背景。盡管在三十年前在美國已經(jīng)問世了第一臺機器人，但是機器人的行走控制技術(shù)至今還未很好的解決，它的站立和行走正是類似于雙倒立擺系統(tǒng)；同時對火箭、衛(wèi)星等飛行器的姿態(tài)的控制、用消除震動來提高偵察衛(wèi)星皮攝圖片的質(zhì)量，也是應(yīng)用倒立擺系統(tǒng)；還有進(jìn)來在人們生活中廣泛應(yīng)用的時尚的電動平衡車的原理也是類似倒立擺系統(tǒng)；亦或是為防止單級火箭在拐彎時斷裂而誕生的柔性火箭(多級火箭)， 其飛行姿態(tài)的控制也可以用多級倒立擺系統(tǒng)進(jìn)行研究。由于倒立擺系統(tǒng)在軍工、航天、機器人領(lǐng)域和一般工業(yè)過程中中具有重要的應(yīng)用作用，所以對于倒立擺的研究具有非常大的價值。

2 倒立擺的研究在國內(nèi)外的發(fā)展情況

世界范圍內(nèi)對于倒立擺的研究主要集中在倒立擺系統(tǒng)的穩(wěn)定控制的研究和倒立擺系統(tǒng)的自起擺控制研究。兩者相比前者研究成果更為顯著一些。

2.1 我國研究倒立擺系統(tǒng)的發(fā)展情況

在一九六零年以后我國的科學(xué)家就已經(jīng)針對倒立擺系統(tǒng)進(jìn)行研究。在八十年代我國研究倒立擺的主要集中在高級院校，中國的北京師范大學(xué)、北京航空航天大學(xué)[1]以及中國科技大學(xué)[2]成為我國研究倒立擺系統(tǒng)的主要陣地，目前，我國各高校采用的研究倒立擺的系統(tǒng)主要是香港固高公司和加拿大Quanser公司生產(chǎn)的系統(tǒng)[3-4]。

我國的高校倒立擺系統(tǒng)研究者自始就進(jìn)行著大量不斷地努力研究，從八十年代國內(nèi)也開始對倒立擺系統(tǒng)進(jìn)行研究取得了很大的進(jìn)展。例如：1985年，伊征琦等人利用模擬調(diào)節(jié)器實現(xiàn)了對二級倒立擺的控制。九十年代，以程福雁為帶頭人的科研組和以程福雁為帶頭人的科研組在對倒立擺的研究上取得了一定的成果。隨著時間的不斷發(fā)展當(dāng)然還有科研工作者的不斷努力、反復(fù)研究，我國在研究倒立擺系統(tǒng)中也取得了世界矚目的成就，2001年李洪興等人利用“變論域自適應(yīng)模糊控制理論”成功的實現(xiàn)了三級倒立擺的實物系統(tǒng)控制并在2002年在世界上第一次成功實現(xiàn)了四級倒立擺的實物控制系統(tǒng)。在2005年7月以北京師范大學(xué)數(shù)學(xué)系教授李洪興為帶頭人的科研組成功的實現(xiàn)了平面運動三級倒立擺實物控制，正是他們的不斷研究，反復(fù)實驗在世界倒立擺研究史上留下創(chuàng)新。我國對于倒立擺的研究現(xiàn)在仍在進(jìn)行中。

2.2 國外研究倒立擺系統(tǒng)的發(fā)展情況

在國外，美國麻省理工學(xué)院是最早對于倒立擺系統(tǒng)的研究，在一九五幾年就已經(jīng)開始了，美國的專家利用火箭發(fā)射器助推原理設(shè)計出了一階倒立擺實驗設(shè)備，在1966年Schacfer和Cannon應(yīng)用Bang-Bang控制理論，將一個曲軸穩(wěn)定于倒置位置。到了20世紀(jì)60年代后期，倒立擺作為一個典型不穩(wěn)定、非線性的例證被提出[5]。1970年，Luenberger和Bryon首次提出了利用觀測器重鉤系統(tǒng)的狀態(tài)能夠?qū)崿F(xiàn)倒立擺的穩(wěn)定控制。 從六十年代倒立擺的概念被提出以后，它就被用于檢測控制方法對非線性、不穩(wěn)定性、和快速性系統(tǒng)的控制能力，在世界范圍內(nèi)引起了巨大的反響。

在亞洲的其他國家也在不斷地研究倒立擺系統(tǒng)，主要研究陣地也集中在高校范圍內(nèi)，例如日本的東京工業(yè)大學(xué)、東京電機大學(xué)、東京大學(xué)；韓國的釜山大學(xué)、忠南大學(xué)。

3 倒立擺系統(tǒng)研究的現(xiàn)實意義

倒立擺系統(tǒng)在我國以及世界工業(yè)應(yīng)用中具有重要的理論研究意義，研究倒立擺系統(tǒng)具有的挑戰(zhàn)意義不僅僅是由于級數(shù)的增加而產(chǎn)生的控制難度，并且由于他的本身所具有的復(fù)雜性、不穩(wěn)定性以及非線性的特點進(jìn)而不斷研究拓展的新的理論方法，以應(yīng)用到新的控制對象中，提供更好的實驗理論和實驗平臺。對于機器人的直立行走，航天飛行器的飛行平穩(wěn)控制都具有非常大的意義，不斷進(jìn)行理論與工業(yè)的實踐結(jié)合，推動我國科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，更加廣泛的應(yīng)用到經(jīng)濟活動中。這對于我國甚至世界的航空航天技術(shù)的進(jìn)步具有非常大的理論意義和實際意義，具有非常廣闊的研究前景。

[1]張飛舟,沈程智,范躍祖.擬人智能控制三級倒立擺[J].計算機工程與應(yīng)用,2000(02)：17-20.

[2]黃丹,刷少武,吳新開等.基于LQR最優(yōu)調(diào)節(jié)器的倒立擺控制系統(tǒng)[J].微計算機信息,2004(02)：37-38.

[3]單波,徐燕,趙建濤.預(yù)測控制算法及其在倒立擺中的應(yīng)用[J].華北電力大學(xué)學(xué)報,2001(02)：46-51.

[4]肖軍.模糊控制在多變量非線性系統(tǒng)中的應(yīng)用[J].東北大學(xué)學(xué)報,2001（02）：56-61.

[5]劉麗,何華燦.倒立擺系統(tǒng)穩(wěn)定控制之研究 [J].計算機科學(xué)，2006（05）：214-219.