倒立摆简介

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倒立摆简介

倒立摆系统作为研究控制理论的一种典型的实验装置，具有成本低廉，结构简单，物理参数和结构易于调整的优点，然而倒立摆系统本身所具有的高阶次、不稳定、多变量、非线性和强耦合特性，是一个静态不稳定系统。倒立摆系统是研究变结构控制，非线性控制，目标定位控制，智能控制等控制方法理想的实验平台。

随着模糊控制理论的不断深入，工程上的成功应用也越来越多，形成了模糊系统辨识，模糊预测，自适应模糊控制，自组织模糊控制，递阶模糊控制等许多分支。在今天模糊控制己被公认为是一种简单而有效的控制技术。模糊控制是以模糊集合论，模糊语言变量及模糊逻辑推理为基础的一种计算机数字非线性控制。它在一定程度上模仿了人的控制，不需要准确的控制对象数学模型，是一种智能控制方法，尤其适用于那些人们无法建立精确数学模型的物理对象或过程。近来的另外一个研究方向则是如何使模糊控制器具有学习能力。在这方面，模糊逻辑与神经网络相结合是一个值得注意的动向，两者的结合既可以模拟人的控制功能，又可以如人那样具有较强的对环境变化的适应能力和学习能力。

一级倒立摆的背景源于火箭发射助推器，二级倒立摆与双足机器人控制有关，三级倒立摆应当说由一、二级倒立摆演绎而来，背景自然相当复杂。一级倒立摆控制的仿真或者实物系统已经广泛用于教学，二级倒立摆控制的实物系统已经用于很多自动控制实验室中。三级倒立摆实物系统控制实验是世界公认的难题。

研究倒立摆系统除了很强的理论意义，同时也具有深远的实践意义。许多抽象的控制概念如稳定性、能控性、快速性和鲁棒性，都可以通过倒立摆系统直观的表现出来。同时其动态过程与人类的行走姿态类似，其平衡与火箭的发射姿态调整类似，因此倒立摆在研究双足机器人直立行走、火箭发射过程的姿态调整和直升机飞行控制领域中有重要的现实意义，相关的科研成果已经应用到航天科技和机器人学等诸多领域。

倒立摆系统的最初研究开始于二十世纪五十年代，麻省理工大学电机工程系设计出单级倒立摆系统这个实验设备。后来在此基础上，人们又进行拓展，产生了直线二级倒立摆、多级倒立摆，柔性连接直线倒立摆，环形倒立摆，平面倒立摆和环形并联多级倒立摆的实验设备,给出了几种不同类型的倒立摆系统实物图。因此，倒立摆系统成为控制领域中不可或缺的研究设备和验证各种控制策略有效性的实验平台。

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