0 引言
小車倒立擺控制能有效反映控制中的許多關(guān)鍵問(wèn)題,，如鎮(zhèn)定問(wèn)題、非線性問(wèn)題,、魯棒性問(wèn)題,、隨動(dòng)問(wèn)題及跟蹤問(wèn)題，因此成為學(xué)習(xí)自動(dòng)控制理論,，研究自動(dòng)控制算法較為合適的實(shí)驗(yàn)對(duì)象之一,。同時(shí)，它還具有工程應(yīng)用背景,，為理論到實(shí)踐的轉(zhuǎn)化提供了橋梁,。因此，對(duì)倒立擺系統(tǒng)的研究在理論上和方法論上均具有深遠(yuǎn)意義。
本文針對(duì)本科自動(dòng)控制原理課程設(shè)計(jì)中倒立擺擺桿偏角控制器的在線仿真存在：手扶擺桿起擺不安全,，單變量擺桿角度控制器無(wú)法同時(shí)控制小車的位置,，實(shí)驗(yàn)觀測(cè)不便等問(wèn)題，提出并設(shè)計(jì)了基于固高公司起擺控制,、最優(yōu)小車位置控制,、嵌入學(xué)生擺桿偏角控制的組合式控制系統(tǒng)。在線仿真實(shí)驗(yàn)表明,，組合式控制系統(tǒng)對(duì)直線一級(jí)倒立擺的控制有效,，能滿足本科自動(dòng)控制原理課程沒(méi)計(jì)及實(shí)驗(yàn)的安全、自動(dòng),、直觀,、迅捷、可靠的要求,。
1 系統(tǒng)建模
小車直線一級(jí)倒立擺系統(tǒng)的控制目標(biāo)是擺桿偏角最大不超過(guò)±5°,，小車在軌道中間位置左右偏移不超過(guò)±10 cm，以達(dá)到一種動(dòng)態(tài)的平衡,。
小車直線一級(jí)倒立擺實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)如圖1所示,。對(duì)小車和擺桿做受力分析，根據(jù)牛頓運(yùn)動(dòng)定律,，可得小車直線一級(jí)倒立擺動(dòng)力學(xué)模型如式(1)所示,。
式中：M為小車質(zhì)量，m為擺桿質(zhì)量,；b為小車摩擦系數(shù),；l為擺桿長(zhǎng)；I為擺桿轉(zhuǎn)動(dòng)慣量,；θ為擺桿偏角,；x為小車位移；F為小車受力,。
由于θ=π+φ,，且φ≤1(換算成弧度比較)，u代表被控對(duì)象的輸入力F,，則對(duì)式(1)進(jìn)行線性化處理,，可得式(2)，如下：
對(duì)質(zhì)量均勻擺桿,，取
,由線性系統(tǒng)理論得系統(tǒng)的狀態(tài)空間如式(3)所示：
2 嵌入式組合控制器的設(shè)計(jì)
2．1 系統(tǒng)能控性分析
被控系統(tǒng)狀態(tài)完全可控性矩陣Uc=[B AB A2BA3B],，通過(guò)計(jì)算可得rank(Uc)=4，即矩陣Uc的秩等于系統(tǒng)狀態(tài)變量維數(shù),；被控系統(tǒng)輸出完全可控性矩陣Uo=[CB CAB CA2B CA3B D],，求得rank(Uo),，即矩陣Uo的秩等于系統(tǒng)輸出向量維數(shù)。所以系統(tǒng)可控,，可以對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行控制器設(shè)計(jì),，使系統(tǒng)穩(wěn)定。
本文所使用的控制器是由自動(dòng)起擺控制器Swingup Controller,、線性二次調(diào)節(jié)器LQR Controller和學(xué)生設(shè)計(jì)的控制器Controller1組成的嵌入式組合控制器,。在Simulink中搭建直線一級(jí)倒立擺嵌入式組合控制系統(tǒng)，如圖2所示,。
自動(dòng)起擺控制器Swing-up Controller能夠控制直線一級(jí)倒立擺由靜止下垂的穩(wěn)定平衡狀態(tài)自動(dòng)轉(zhuǎn)化到豎直向上的不穩(wěn)定平衡狀態(tài),，而無(wú)需給擺桿施加力的作用,，就可以實(shí)現(xiàn)擺桿的自動(dòng)擺起,。
2．2 LQR控制器原理
針對(duì)線性系統(tǒng)的狀態(tài)方程
和輸出方程y(t)=Cx(t)+Du(t)，LQR方法通過(guò)確定最佳控制量u(t)=-Kx(t)中的矩陣K,，使得控制性能指標(biāo)
取極小值,。其中，x是狀態(tài)向量,；u是控制向量,；R為正定厄米特或?qū)崒?duì)稱矩陣；Q為正定或半正定厄米特或?qū)崒?duì)稱矩陣,。參數(shù)R和Q分別用來(lái)平衡輸入量和狀態(tài)量的權(quán)重,。
2．3 系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)
系統(tǒng)主要由被控對(duì)象、起擺控制器,、LQR控制器,、學(xué)生控制器、位置給定器,、角度給定器,、運(yùn)算器和擾動(dòng)信號(hào)發(fā)生器等構(gòu)成。整個(gè)系統(tǒng)是在固高公司提供的直線單級(jí)倒立擺控制系統(tǒng)基礎(chǔ)上,，設(shè)計(jì)邏輯切換單元(LOG),，把學(xué)生控制器嵌入系統(tǒng)中，形成嵌入式組合控制的倒立擺控制系統(tǒng),。
2．4 系統(tǒng)的功能
(1)能夠?qū)崿F(xiàn)擺桿的自動(dòng)擺起,。
(2)當(dāng)擺桿偏角進(jìn)入±20°范圍時(shí)，自動(dòng)切換到LQR控制器,，以實(shí)現(xiàn)擺角的控制和穩(wěn)擺,；
(3)當(dāng)擺桿偏角進(jìn)入±5°范圍時(shí)，自動(dòng)切換到學(xué)生控制器穩(wěn)擺,。
在穩(wěn)擺過(guò)程中,，始終由LQR控制器控制小車在適宜位置運(yùn)動(dòng)。加入干擾信號(hào)后，可以同時(shí)在線觀測(cè)到小車位置,、擺桿角度被控過(guò)程和干擾信號(hào)的波形,。整個(gè)運(yùn)行過(guò)程無(wú)需人工干預(yù)，實(shí)現(xiàn)了安全,、自動(dòng),、迅捷、可靠的設(shè)計(jì)目標(biāo),。多路顯示器Scop可實(shí)時(shí)顯示小車位置,、擺桿角度、干擾信號(hào)的動(dòng)態(tài)變化情況,。
2．5 LOG模塊內(nèi)部結(jié)構(gòu)
LOG模塊內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖3所示,。
圖3中左端端子分別為：端子1為擺桿偏角進(jìn)入±20°范圍時(shí)的加速度輸入端；端子2為倒立擺擺桿的角度輸入端,；端子3為擺桿偏角進(jìn)入±5°范圍時(shí)的加速度輸入端,，端子4為干擾信號(hào)的輸入端。中間的Abs和Switch框分別為取絕對(duì)值模塊和選擇開(kāi)關(guān)模塊,。右端Acc為邏輯切換單元輸出,，即加速度信號(hào)。
2．6 邏輯切換單元原理
當(dāng)擺桿偏角進(jìn)入±20°范圍時(shí),，自動(dòng)切換到LQR控制器,，以實(shí)現(xiàn)擺角的控制和穩(wěn)擺；當(dāng)擺桿偏角進(jìn)入±5°范圍時(shí),，自動(dòng)切換到作者設(shè)計(jì)的控制器穩(wěn)擺,。
3 仿真實(shí)驗(yàn)
本文所用實(shí)際系統(tǒng)的模型參數(shù)為：l=0．25 m，g=9．8 m／s2,，采樣周期T=0．020s,。
將上述參數(shù)代入第1節(jié)中系統(tǒng)狀態(tài)空間方程式(3)，可得系統(tǒng)的實(shí)際模型(4)如下：
K=[-3．1623 -3．7134 31．1664 5．718 3]在線仿真的實(shí)時(shí)小車位置(單位：m),、擺桿角度(單位：(°))和干擾變化波形如圖4所示,。
嵌入式組合式控制器控制過(guò)程中小車位置Pos、擺桿角度Angle和干擾信號(hào)Dist的在線仿真響應(yīng)波形變化情況分析如表1所示,。結(jié)果表明本文提出的嵌入式組合式控制算法對(duì)直線單級(jí)倒立擺系統(tǒng)的控制正確,、有效。能夠達(dá)到自動(dòng)和安全的控制效果,，滿足系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要求,。
4 結(jié)論
本文根據(jù)線性系統(tǒng)理論、最優(yōu)控制理論和自動(dòng)控制原理沒(méi)計(jì)了組合式控制器,，其可行性和有效性在單級(jí)直線倒立擺系統(tǒng)上得到了驗(yàn)證,。該控制器具有簡(jiǎn)單,、直觀和易于實(shí)現(xiàn)的特點(diǎn)。只要擺桿的初始角度在±20°范圍內(nèi),，嵌入式組合控制器都能使倒立擺控制系統(tǒng)保持穩(wěn)定的倒立平衡狀態(tài),。本文建立的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)也可作為控制系學(xué)生的《自動(dòng)控制原理》課程設(shè)汁實(shí)驗(yàn)及考核平臺(tái)。