二级倒立摆控制系统研究

姓名：邹蓬申请学位级别：硕士专业：导航、制导与控制

指导教师：张鹏20060212

中国民用航空学院硕士学位论文Ａｂｓｔｒａｃｔ【’ｏｕｂｌｅｊｎｖｅｎｅｄｐｅｎｄｕｌｕｍｓｙｓｔｃｍｉｓａｋｉｎｄＯｆｔｙｐｉｃａｌｆａｓｔ，ｎＯｎｌｉｎｅ盯’ｓｔｒｏｎｇａｒｅｃｏｕｐｌｅ，ｃｈａＩＩｇｅａｂｌｅａｌｌｄｎｅｔｕｒａｌｌｙＶｏｌａｔｉｌｅｓｙｓｔｅｍ．Ｔｈｅ瑚ｅａｎｓｏｆｃｏｎｔｒｏｌｉｎｇｔｈｉｓｓｙｓｔｅｍｗｉｄｅｌｙｕｓｅｄｉｎｔｈｅｆｉｅｌｄｏｆｗａＴｓｏｉｎｄｕｓｔｒｙ，ｓｐａｃｃｆｌｉ曲ｔａ】１ｄｔｈｅｃｏｎｔｒｏｌｏｆｏｒｄｉｎａｒｙｉｎｄｕｓｔｒｙａｌｌｄｏｎ。ｌⅡｖｃｎｅｄｐｅｎｄｕｌｕｍｊｓＶｅｒｙｃｏｍｐｌｅｘｉｎｍａｔｌｌｅｍａｔｉｃａｌｍｏｄｅｌａｎｄｖｅｒｙｓｉｍｐｌｅｉｎｄｊｒｅｃｔｌｙｐｅｒｃｅｉＶｅｄｔ１１ｒｏｕｇｈｔｈｅｓｅｎｓｅ，“ｃａｎｅ饪ｅｃｔｉＶｅｌｙｒｃｆｌｅｃｔｍａｎｙｐｊＶｏｔａｌｐｍｂｌｅｍｓｉｎｃｏｎｔｒｏｌｐｒｏｃｅｓｓｓｕｃｈａｓｕｎｄｉｓｔｕｒｂｅｄｑｕａｌｉＩｙａｎｄｒｏｂｕｓｔｑｕａｌｊｔｙ柚ｄｔｆａｃｅｑｕａｌｉｔｙ．Ｉｔｉｓｔｈｅｉｄｅａｌｍｏｄｅｌｏｆｔｅｓｔｉｎｇｍａｎｙｌ【ｉｎｄｓｏｆｔｈｅｏｒｙａｎｄｍｅａｎｓｏｆｃｏｎｔｆ０１．１１１ｅｐｕｑ）０ｓｅｏｆｒｅ缸ｓｃｈｏｆｔｈｉｓｔｈｅｓｉｓｉｓｔｏｆｉｎｄｏ毗ａｌ【ｉｎｄｏｆｔｈｅｄｏｕｂｌｅｉｎｖｅｎｅｄｐｃｎｄｕｌｕｍＩＡｔｆｉｆｓｔ，Ｉｓｅｔｕｐｌｌｌｅｍａｋｅａｅ骶ｃｔｉｖｅｍｃ孤ｓｏｆｃｏｎｔｍｌｉｎｇｒａｔｉ衄ａｌｍａｔｈｅｍａｔｉｃａｌｍｏｄｅｌ．Ｓｅｃｏｎｄｌｙ，Ｉｄｅｔａｉｌｅｄａｌｌａｌｙｓｉｓｏｆｅｘｉｓｔｉｎｇｍｅ蛐ｓｏｆｃｏｎｔｆｏｌｏｆｄｏｕｂｌｅｉｎｖｅｎｅｄｐｅｎｄｕｌｕｍ（ｉｌｌｄｕｄｊｎｇａｔｌｌｅｄａｓｓｉｃａｌ工Ｑｙｃｏｍｒ０１ｍｅａｌｌｓａｎｄｔｈｅｆａｓｈｉｏｎａｂｌｅｓｉｍｕｌａｔｉｏⅡａｎｄｆｌＩｚｚｙ∞ｎｔｒｏｌｍｅａｎｓ），ａｎｄｍａｋｅａｄｅｔａｉｌｅｄｃｏ加巾嘲ｔｉｏｎ．Ｔｈｉｒｄｌｙ，ｔｈｅｎｄｏｕｂｌｅＩｄｅｓｉｇｎｅｄｋｉｎｄｏｆｖａｒｉａｂｌｅ－ｓｔｍｃｔｕｒｅｃｏｎｔｆｏｌｔｌＩｅｓｙｓｔｃ瓶ｃｏｎ仃ａｐｏｓｅｄｉｎｖｅｎｅｄｐｅｎｄｕ】ｕｍｂａｓｃｄｏｎｔｌｌ∞ｒｙｏｆｖ撕ａｂｌｅ—ｓｔｍｃｔｕｒｅｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌｓｅｌｆ．ａｄａｐｔｉｎｇｃｏｎｔｍｌｓｙＳｔｅｍ，ｏｎｔｈｅ０ｔｌｌｅｒｈ锄ｄ，Ｉｄｏｔｌｌｅｅｍｕｌａｔｉｏｎ柚ａｌｙｓｉｓ觚ｄＶａｌｉｄａｔｉｏｎ．Ｔ１ＩｅｒｅｓｕｌｔｏｆｅｍｕｌａｔｉＯｎｍａｌｌｉｆｃｓｔｃｄｔｈａｔｔｈｅＶａｒｊａｂｋ－ｓｔｍｃｔｕｒｅａｄａｐｔｉｖｅｃｏｎｔｍｌｅｒｉｓｓｉｍｐｌｅｒｉｎｔｈｅｓｔｍｃｔＩＩｒａｎｄｉｔ’ｓｒｏｂｕｓｔｑｕａｌｌｉｔｙｉｓ９００ｄ，柚ｄｉｔ’ｓｆｅｓｕｌｔｏｆｃｏｎｔｒｏｌｉｓｖｅｒｙ９００ｄｕｎｄｅｒｔｈｅｐｏｓｉｔｏｎｏｆｔｈｅｄｉｓｔｕｒｂ锄ｃｃｌａｓｔ，Ｉ舀Ｖｅｏｒｍｏｔｉｏｎｉｓ岫ｏｗｎａｂｌｅｏｒｃａｎ’ｔｂｅｅｘｐｒｃｓｓｅｄｂｙｔｈｅｍａｔｈ锄ａｔｉｃａｌｆｏｍｌｕｌａ．Ａｔｔｈｅｏｏｕｒｓｅｏｕｔｓｏｍｅｉｄｃａｓａｎｄａｄｖｉｃｅｓｐｏｉｎｔｅｄｔｏｓｏｍｅｑｕｅｓｔｉｏｎｓｏｆｏｆｒｅｓｅａｒｃｈ．ａｎｄｔｅｓｔｔｈｅｆａｃｔｕａｌｓｙｓｔｅｍｏｆｉｎｖｅｎｅｄＩｎＯｒｄｅｒｔ０ａｃｔｕａｌｉｚｅｔｈｅｃｏｎｔｍｌＯｆｄｏｕｂｌｅｉｎＶｅｎｅｄｐｅｎｄｕｌｕｍｏｆｍｅａｌｌｓｏｆｃｏｍｍＩ，ｌｐｃｒｆｏｍａⅡｃｃｄｅｓｉｇＩｌｅｄ孤ｄｅｘｐｌｏｉｔｔｈｅＤＳＰｃ咖ｔｆ０１ｐｃｎｄｕｌｕｍａＩｌｄｃｏｍｐｌｅｄｔｈｅｒｅｌｅｖａｎｔｓｏｆｔｗａｒｅｏｆｃｏｎｔｆ０１．Ｔｈｅｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔｄｅｍｏｎｓｔｍｔｅｄｔｈａｔｔｈｉｓｍｅａｎｓｏｆｃｏｎ仰１ｊｓｆｃａｓｉｂｌｅ．ＩｎｍｙＩｈｅｓｉｓ，ｔｈｅｐｒｉｎｃｉｐｉｕｍａｎｄｓｔｒｕｃｔｕｒｅｏｆｔｈｅｈａｒｄｗａｒｅａｌｌｄｓｏｆＭａｌｌｅｏｆｃｏｎｔｍｌｓｙｓｔｅｍｉｓｄｅｔａｉｌｅｄｄｅｓｃＴｉｐｔｅｄ．Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ｄｏｕｂｌｅｉｎＶｅｎｅｄｐｅⅡｄｕｌｕｍ，ｍｅａＩｌｓｏｆｃｏｎｔｒｏｌ，ｓｅｌｆ－ａｄａｐｔｉｌｌｇｖａｒｉａｂｌｅ—ｓｔｍｃｔｕｒｅｃｏｎｔｍｌｅｒ，ｃｏｎｔｍｌｓｙｓｔｅｍｂａｓｅｄｏｎＤＳＰｔｈｅｏｌｏｇｙＩＩ中国民用航空学院学位论文独创性声明本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，电不包含为获得中国民用航空学院或其它教育机构的学位或证档而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均己在论文中作了明确的说明并表示了谢意。研究生繇望翌日期：趔：≯．刀ｆ中国民用航空学院学位论文使用授权声明中国民用航空学院、中国科学技术信息研究所、国家图书馆有权保留本人所送交学位论文的复印件和电子文档，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。本人电子文档的内容和纸质论文的内容相一致。除在保密期内的保密论文外，允许论文被查阅和借阅，可以公布（包括刊登）论文的全部或部分内容。论文的公布（包括刊登）授权中国民用航空学院研究生部办理。研究生鼢她燧名：毖照日期：幺蔓三罗中国民用航宁学琬硕士学位论文第一章１．１课题来源绪论中国民用航空总周现代控制理论研究室科研基金项目。１．２二级倒立摆系统简介１．２．１倒立摆系统研究的科学意义倒立摆系统是‘种典型的快速、非线性、强藕合、多变量和自然不稳定的系统。其控制方法在军工、航天、机器人领域和一般工业过程中都有着广泛的应用，是双足行走机器人和火箭垂直姿态和卫星飞行中的姿态控制等许多控制对象的最简单模型。由于它在数学模型上复杂直观上又简单，因此对于它的控制问题常用来检验新的控制理论与方法的有效性，是较为理想的实验手段。倒立摆控制系统是举世公认的典型控制系统，是教学和科研的重要工具，在控制过程中，它能有效地反映诸如可镇定性、鲁棒性、随动性以及跟踪等许多控制中的关键问题，是检验各种控制理论的理想模型。迄今为止人们已经利用经典控制理论、现代控制理论以及各种智能控制理论实现了多级倒立摆系统的稳定控制。对它的研究既有教学和科研的重要意义，又有一定实践意义和经济价值。多年来，人们对倒立摆的研究不断深入，倒立摆的种类也由简单的单级刚性倒立摆发展为多种形式的多级倒立摆系统，其中的原因不仅在于倒立摆系统在高科技领域的广泛应用，而且新的控制方法不断出现，人们试图通过倒立摆这样一个严格的控制对象，检验新的控制方法是否有较强的处理多变量、非线性和绝对不稳定系统的能力。三级倒立摆（ｐａｒａ儿ｅ卜ｔｙｐｅｄｏｕｂｌｅｉｎｖｅｒｔｅｄｐｅｎｄｕｌｕｍ）和二级倒立摆成为研究的重点，单交流伺服电机控制的多级倒立摆是卟世界性的难题。因此，倒立摆系统作为控制理论研究中的一种较为理想的实验手段通常用来检验控制策略的效果。多级倒立摆系统的控制属多变量协制类型，计多控制方法都可以构建这一未成熟而又重要的分支学科的理论框架。存稳定性控制问题卜，倒立摆系统既具备普遍性同时又具备典型性。它作为一种被控装置结构简单。价格低廉，便于采用各种小Ｉ剐的控制方法，作为一个被控对象，它是一个高阶次、不稳定、多变量、非线性、强耦合的快速系统，只有采用行之有效的控制策略才能使之稳定。它可以使用多种理论和方法来实现稳定控制。如ＰＩＤ、自适应、状态反馈、智能控制、模糊控制以及人工神经网络控制等多种方法，都可以在倒立摆系统之中实现控制，而且当一种新的控制理沦和方法被提出之后，在不能使用理论加以严格之中实现控制，而且当一种新的控制理沦和方法被提出之后，存不能使用理论加以严格±里垦旦堕至兰堕堡±兰垡堕苎证明的时候，可以通过倒立摆来验证其正确性与实用性。由于上述原因，倒立摆在控制系统研究中受到了普遍重视。它不仅是教学与科研实践之中不可多得的典型物理模型，而且通过对它的研究以解决控制中的理论问题，还能将控制理论所涉及到的三个基础学科：力学、数学、电学（含计算机）有机的结合起来，利用倒立摆系统进行综合研究。近代机电一体化系统，如直升飞机、火箭、卫星飞行姿态控制以及机器人举起重物、作体操和步行控制等等，都存在非常类似于倒立摆的稳定控制问题。在实际科研与教学工作中，由于计算机仿真结果与实验结果总是存在很大的差别，所以倒立摆系统为科技人员提供了控制理论与实践结合的低成本、高性能平台。二级倒立摆控制是一个异常复杂而又对准确性、快速性要求很高的非线性不稳定控制问题。一个典型的非线性、不稳定系统的研究成果无论在理论上或者是在方上都有很重要的意义，对它的研究工作也需要不断的深入和加强。１．２．２倒立摆研究的历史与现状分析６０年代后期，作为一个典型的不稳定严重非线性系统的例证，倒立摆系统的概念被提出。国外对一级倒立摆的研究从六十年代开始。ｃａｎｎｏｎ等人在１９６６年首次实现了对一级倒立摆的稳定控制，ｓ．Ｍｏｒｉ等人于１９７５年采用最优控制和状态重构也完成了对一级倒立摆的稳定控制。二级倒立摆的研究从七十年代开始。１９７２年ｓｔｕｒｇｅｎ等人采用模拟的方法完成了对二级摆的稳定控制，１９７８年，Ｆｕｒｕｔａ等人采用小型计算机实现了二级倒立摆稳定控制，１９８０年，他们又完成了二级摆在倾斜轨道上的稳定控制。国内对倒立摆系统的研究工作是从八十年代开始的。１９８２年，西安交通大学采用最优控制和降维观测器完成了二级倒立摆系统的研制和控制，用模拟电路实现。１９８３年，国防科技大学完成了一级倒立摆系统的研制和控制。１９８７年，上海机械学院完成了一、二级倒立摆系统的研制，采用微机控制，并且完成了二级倒立摆在倾斜轨道上的控制。１９９３年，北京航空航天大学自控系张明廉等人利用归约规则法设计了一级倒立摆仿人控制器，并通过Ｐｃ一２８６稳定了一级倒立摆，且具有良好的鲁棒性。自九十年代初开始，神经网络控制倒立摆得以快速的发展，它以自学习为基础，用一种全新的概念进行信息处理，许多学者正致力于应用神经网络控制一、二级倒立摆的研究，还有预测控制与变结构控制方法、模糊控制方法等等，控制理论的各种方法都可用于倒立摆的控制。目前，国内外不少专家学者对倒立摆进行大量的研究，其控制算法很多，实际成果也很多，张明廉等采用拟人智能控制模仿人面对同样问题的解决思路，成功的实现了对单交流伺服电机三级倒立摆，平面运动倒立摆的控制。北京师范大学李洪兴采用模糊自适应控制理论成功设计出了三级倒立摆装置并使用变论域自适应控制算法在２００２年实现了四级倒立摆系统的实物控制，且稳定效果怠好。Ａ．Ａｖｉｌｏ等人采用基于能量的方法实现了＝级倒立摆的摆起控制。德国Ｈ．ＭｅＩｅｒｚｕＦａｒｔｗｉｇ和中国民用航空学院硕士学位论文Ｈ．Ｈｕｎｂｅｈａｕｅｎ设计了两个交流伺服电机控制的三级倒立摆系统，北京航空航天大学设计出了单交流伺服电机控制的三级倒立摆等。人们仍将继续深入对其控制算法（系统级数从１级到ｎ级），以及稳定性、鲁棒性等控制性能进行研究与探索。１．３倒立摆系统控制理论简介倒立摆适于使用多种现代控制理论和方法进行控制方法验证与分析，目前学术界对倒立摆的控制方法主要有肋控制、状态反馈何。控制、云模型控制、神经网络（ＮｅｕｒａＩＮｅｔｗｏｒｋ，ＮＮ）控制、遗传算法（ＧｅｎｅｔｉｃＡｌｇｏｒ；ｔｈｍｓ，ＧＡ）控制、自适应控制、模糊控制、几种智能控制算法相结合实现倒立摆的控制，比如模糊自适应控制，分散鲁棒自适应控制等等、ＧＡ与洲相结合控制方法和拟人智能控制等方法。对于这些倒立摆控制方法的实现原理及其分析，将在以后的第三章里面详细的加以论述，在这里仅仅做以简介与引出。虽然目前对倒立摆系统的控制策略有如此之多，而且有许多控制策略都对倒立摆进行了稳定控制，但大多数都没有考虑倒立摆系统本身的大量不确定因素，即使有的控制策略考虑了不确定性，那也只是对倒立摆系统进行仿真研究，在实际系统并不一定可行。本文就针对倒立摆系统本身存在的大量不确定性因素以及存在外界干扰情况下，尝试采用自适应变结构控制器对其进行控制研究。中国民用航空学院硕士学位论文第二章二级线性倒立摆系统分析２．１二级倒立摆系统建模二级倒立摆结构如图２．１所示交流其光导轨图２．１二级线性倒立摆系统结构组成二级线性倒立摆系统的机械部分主要包括小车、上摆、下摆、皮带轮，传动皮带等部件。控制对象主要由小车、上摆，下摆组成。通过电机带动皮带直接控制小车，间接达到控制上摆与下摆的目的。二级倒立摆系统数学模型的建立基于以下假设…：１、上摆、下摆及小车都是刚体。２、皮带轮与皮带之间无相对滑动，传动皮带无伸长现象。３、小车的驱动力与直流放大器的输入成正比，而且无滞后，忽略交流伺服电机电枢绕组中的电感。４、实验过程中的库仑摩擦、各种动摩擦等所有摩擦力足够小，在建模过程中可忽略不计。二级倒立摆系统的结构参数如表２．１所示“１：表２．１二级倒立摆系统参数字母意义实际数值ｍｎ小车质量１．３２ｋｇｍｌ下摆杆的质量Ｏ．０４ｋｇｍ２上摆杆的质量０．１３２ｋｇ第一、二摆杆之间的质餐块的质量Ｏ．２０８ｋｇ中国民用航空学院硕士学位论文ｌｏ１ｌ１２下摆的旋转轴心到上摆旋转轴心之间的距离上摆到杆转动质心到杆质心的长度下摆到杆转动质心到杆质心的长度上摆对其重心的转动惯鼍下摆对其重心的转动惯量Ｏ．０９ｍＯ．２７ｍ０．２２６ｍＯ．００４９６２６ＮＪ，Ｊ｛０ｓ／ｍ２Ｏ．００４８２３５Ｎ．ｓ／秆实时测得实时测得待测９．８ｍ／ｓ。上摆杆与垂直方向的夹角Ｆ摆杆与垂直方向的夹角作用在系统上面的外力重力加速度０Ｆｇ利用运动合成原理：绝对运动＝相对运动＋牵引运动。首先对系统进行运动学分析，由于将动坐标系建立在摆杆１、摆杆２的质心处便于理解．分析过程以此为基础利用牛顿力学对系统进行力学分析，由此得出数学模型。利用力学之中的隔离的方法，将二级倒立摆系统分为小车、摆杆ｌ、摆杆２三个部分。首先对小车进行受力分析。如图２所示，将摆杆ｌ对小车的作用力分解为竖直方向的分力Ｅ，和水平方向的分力Ｆ１：，水平方向的受力方程为：Ｆ一曩２＝，册然后对摆杆１和摆杆２进行受力分析如图２—２所示：Ｉ（２．１）‘ＹＦ１２０吻摆杆１／＼Ｆ匕ＦＦ１１’ｍｌｇ／孥’２－髟０‘ＹＦ叠、，ｍ２９图２—２摆杆１和摆杆２的受力情况分析利用牛顿第二定律和动量扭矩定理得到摆杆１的运动学和动力学方程摆杆１：‘２一‘２一ｍｌｊ＋ｍｌｆｌ反ｃｏｓ吼一埘１２１矾２ｓｉｎ日１（２．２）（２．３）用Ｉ占一ＥＩ＋，２Ｉ＝历ＩｚＩ反ｓｊｎＢ＋脚Ｉｚｌ吐２ｃｏｓ岛等竽＝州Ｉｓ｛ｎ¨Ｆ２１（厶－ｕｓｉｎｑ一彤１ｃｏｓ口一屹（卜ｕｃ刚。｛罢杆２：（２．４）Ｆ２２＝ｍ２膏＋ｍ２￡１反ｃｏｓｑ＋ｍ２，２哦ｃｏｓ日２一ｍ２Ｌ１舀１ｓｉｎｌ日一坍２ｆ２晓ｓｉｎ口２中国民用航空学院硕士学位论文ｍ２９一巴１ｔ州２￡１反ｓｉｎ吼＋ｍ２ｆ２以ｓｉｎ口２ｃｏｓ口２＋ｍ２工１反２ｃｏｓＢ＋ｍ２，２舀２２（２．５）塑掣：Ｆ２ｌｆ２ｓ枷：一如，：ｃｏｓｐ：ｄｒ（２．６）下面，利用拉格朗日方程推导运动学方程，整体受力分析如图２—３所示：图２—３倒立摆整体受力分析拉格朗日方程为：￡（ｑ，口）一丁（口，牙）一ｙ（孽，圣）（２．７）其中，Ｌ为拉格朗日算子，口为系统的广义坐标，ｒ为系统的动能，矿为系统的势能。拉格朗日方程由广义坐标吼和￡表示为：生堕一堕。ｆｄｆ叫ｆ叻ｉ“（２．８）…。其中，ｆ＝１，２，３…ｎ，ｆ为系统沿该广义坐标方向上的外力，在本系统中，设系统的三个广义坐标分别是工，Ｂ，吼。设，。为摆杆１转动中心到杆质心的距离，ｆ２为摆杆２转动中心到杆质心的距离。首先计算系统的动能：ｒ＝乙＋乙１＋Ｌ２＋Ｌ３（２．９）其中，乙为小车动能，瓦，为摆杆ｌ动能，毛：为摆杆２动能，ｔ，为质量块动能。中国民用航空学院硕＋学位论文第三章倒立摆部分控制方法分析３．１倒立摆系统现有控制方法简介倒立摆系统自身的不稳定性为系统的平衡提出了难题，常见的倒立摆控制方法主要有以下几种：１、Ｐ，Ｄ控制：其控制原理是通过对倒立摆物理模型的分析，建立倒立摆的动力学模型，然后使用状态空间理论推导出其非线性模型，再在平衡点处进行线性化得到倒立摆系统的状态方程和输出方程，从而设计出纠Ｄ控制器实现控制。２、状态反馈Ⅳ。控制：通过对于倒立摆系统的分析，建立数学模型，然后使用状态空间理论推导出状态方程和输出方程，应用Ｈ。状态反馈和缸ｌ加册滤波相结合的方法，实现对于倒立摆的控制。仿真结果研究表明，二者相结合构成的控制器，在模型参数摄动具有干扰信号作用的情况下，比工ＱＧ控制具有更强的鲁棒稳定性和抗干扰能力。３、云模型控制：利用云模型构成语言值，利用语言值构成规则，形成一种定性的推理机制。这种拟人控制不要求给出被控对象精确的数学模型，仅仅靠依据人的经验、感受和逻辑进行判断，将人用自然语言表达的控制经验，通过语言原子和云模型转换到语言控制规则器中，解决非线性问题和不确定性问题。张飞舟等提出一种利用云模型实现智能控制倒立摆的方法，其控制策略不需要被控对象的数学模型，直接使用语言原子和云模型转换到语言规则控制器中，仿真分析和实验结果表明，该控制方法对被控对象的状态和参数变化，具有一定的鲁棒性。４、神经网络（ＮｅｕｒａＩＮｅｔ帅ｒｋ，ＮＮ）控制：由于神经网络能够任意充分地逼近复杂的非线性关系，它能够学习与适应严重不确定性系统的动态特性，所有的变量或定性的信息都等势分布贮存于网络内的各种神经元，故有很强的鲁棒性和容错性。也可将０学习算法和ＢＰ神经网络有效结合，实现状态未离散化的倒立摆的无模型学习控制。５、遗传算法（ＧｅｎｅｔｉｃＡＩｇｏｒｉｔｈｍｓ，Ｇ＾）控制：高晓智在Ｍｉｃｈｉｎｅ的倒立摆控制Ｂｏｘｅｓ方案的基础上，利用ＧＡ对每个Ｂ０ｘ中的控制作用进行寻优，结果表明ＧＡ可以有效地解决倒立摆的平衡问题。自适应控制：主要是为倒立摆设计能够在控制过程中，修正与系统结构相关的参数以及控制作用，使得倒立摆系统处于所要求的近似最佳状态。６、模糊控制器。１：通过为倒立摆控制系统的分析，先确定控制的模糊规则，再去模糊化，设计出模糊控制器实现对倒立摆的控制。７、智能控制器“１：使用几种智能控制算法相结合实现倒立摆的控制，比如模糊自适应控制，分散鲁棒自适应控制等等。中国民用航空学院硕士学位论文８、ＧＡ与ＮＮ相结合控制方法：首先建立倒立摆系统的数学模型，然后为其设计出神经网络控制器，再利用改进的遗传算法训练神经网络的权值实现对倒立摆的控制，实验证明，采用ＧＡ学习的ＮＮ控制器兼有洲的广泛映射能力和ＧＡ快速收敛以及增强式学习等性能。９、拟人智能控制：模糊控制、神经网络控制等智能控制理论的问世，促进了当代自动控制理论的发展，然而，基于这些智能控制理论所设计的系统往往需要庞大的知识库和相应的推理机，不利于实时控制。这又阻碍了智能控制理论的发展，因此，又有学者提出了一种新的理论——拟人控制理论。拟人智能控制的核心是“广义归约”和“拟人”。１。“广义归约”是人工智能中的一种问题求解方法。这种方法是将等求解的复杂问题分解成复杂程度较低的若干闯题集合，再将这些集合分解成更简单的集合，依此类推，最终得到一个本原问题集合，即可以直接求解的问题，另一核心概念是“拟人”，其含义是在控制规律形成过程中直接利用人的控制经验直觉以及推理分析。在这里，选取最具有代表性的经典的工Ｑｙ控制方法以及目前最流行的模糊控制方法，对二级倒立摆的控制问题进行分析和说明。３．２基于ＬＱＹ的最优控制器设计工Ｑ】，调节器是应用最多，最普遍的一种控制方法。其具体原理如下：控制目的是使二级倒立摆在不稳定的平衡点保持稳定的平衡，且能经受一定的外加干扰。对于二级倒立摆系统是在初始条件石（０）一ｊ（ｏ）一０和所有状态可测（或者可重构）下，要求从状态变量鼻中产生控制量“一蹦，令系统过渡到最终状态ｘ＠）＊０，并使二次性能指标了＝ｒ（石７艘＋“７黜矽达到最优。在这里取最小的控制规律为：（３．１）“；一。髓，Ｋ＝一尺一１占７尸（３．２）其中Ｑ为状态变量加权（半雁定实对称常数）矩阵，Ｒ为输入加权（正定实对称）矩阵，Ｐ为满足Ｒ缸衄ｆ痒方程的难一正定对称解，要求系统完全可控和可观。求解Ｒｆｃｃ口研方程求出矩阵Ｐ，从而求得最优反馈增益矩阵Ｋ，最后验证系统的动态性能能否满足要求。若不满足则重新调节加权矩阵（表示系统对状态变量和控制量的敏感程度）Ｑ和尺，直到其性能满足要求为止。中国民用航空学院硕士学位论文第四章二级倒立摆自适应变结构控制器设计４．１自适应交结构控制器简介自适应变结构控制器（Ｖａｒｉａｂｌｅ—ｓｔｒｕｃｔｕｒｅｃｏｎｔｒ０１ｓｙｓｔｅｍ，简称Ｖｓｓ）的发展经历了一个长期的过程。二战以后，由于生产和军事上的需要，自动控制理论技术得到了迅速发展。到五十年代末期，自动控制理论已经形成比较完整的理论体系，并在工程实际中得到了成功的应用，即所谓的经典控制理论时期。五十年代末，由于宇航技术的发展，要求有高性能、高精度的复杂控制系统，经典控制理论己不能完全满足要求。计算机的高速发展又在客观上提供了必要的技术手段，控制理论就发展到另一个新阶段——现代控制理论。变结构控制出现于５０年代，经历多年发展之后已经形成了自己的体系，成为自动控制系统的一种设计方法。其适用的控制系统和任务的广泛程度是其他方法所不能比拟的。它适用于线性与非线性系统、连续与离散系统、确定与不确定系统、同步与时滞系统以及集散控制系统等，适用的控制任务有整定、运动跟踪、模型跟踪等许多工程领域。自适应变结构控制系统是一类特殊的非线性系统，其非线性表现为控制结构的不连续性，即对控制函数的一种开关切换动作”１。与其他的控制系统相比其主要区别在于它的控制结构不固定，在控制过程中不断改变。正是由于这种结构的不固定性，才使得变结构控制具备了独特的对系统的摄动和外部干扰在一定条件下具有不变性的特点，因此受到世界控制学界的普遍重视，并不断取得新的发展‘“。４．２自适应变结构控制基本理论４．２．１变结构控制定义首先给出变结构系统的定义”１：如果存在一个（或几个）切换函数，当系统的状态到达切换函数值时，系统能够从一个确定的结构自动转换成另一个确定的结构，这种系统就称之为变结构系统。所谓变结构控制也就是指系统内部的反馈控制结构（包括反馈极性和系数）所发生的不连续非线性切变，这里的切变不是任意的，而是必须遵循一套按照系统性能指标要求定制的控制逻辑。３。下面就变结构控制的具体问题进行讨论：考虑一个非线性控制系统（４．１）的解（位于ｓ＠）＞Ｏ一侧）将趋近予ｓ０）。０表示的切换面，而且在有限时间内到达切换面，ｓ为标量函数。其中ｘ∈尺“，“∈月”，ｆ∈月分别表示该系统的状态向量，控制向量中国民用航空学院硕士学位论文和时间向量。ｎ为标量函数，它在超平面ｓＯ）一０上发生切换。我们需要确定切换函数ｓ０），Ｊ∈Ｒ“（其维数一般等于控制的维数），并且寻求变结构控制“ｏ，；仁：譬２耋；高：：限时间内到达切换面。ｃａ．ｚ，Ｈ＋（ｘ，ｆ），“一＠，ｆ），ＪＯ）为某些连续函数。这里变结构体现在“＋Ｏ，ｆ）一“一０，ｆ），使得“…：１、满足滑动模态存在条件，从切换面以外的状态空间任意一点出发，相轨线于有２、切换面是滑动模态区，且滑动运动渐进稳定，动态品质良好。这样设计出来的变结构控制使雩导闭环系统全局渐进稳定，而且动态品质良好。下面作进～步的分析：（１）、存在条件系统方程ｉ＝，０，“，ｆ）的解趋近于ｓ（ｘ）一Ｏ的切换面，而且有限时间内到达切换面的条件为５＠）·ｊＯ）＜０（２）、滑动模态微分方程及等效控制““为了确定滑动模态的稳定性并研究其动态品质，就需要建立起运动方程，对于非线性系统莺暑厂（ｘ，“，ｆ）在滑动面上面，它应该恒满足：（４．５）（４．４）（４．３）ｓ（膏（ｆ））＝Ｏ，展开第二式ｊ（ｘＯ））１０（４．６）ｊ＝兰ｊｏ）·工一兰ｓｏ）·，ｏ，“，ｆ）。ｏ慨ｄＸ（４．７）其中昙㈣２离去，…，毒］控制“。（ｚ）代入方程，即可得到滑动模态运动微分方程。ｃａ．ｓ，从式子４．８之中解出ｎ（ｘ），记为“。（ｘ），这就是能够保证滑动模态的存在，即强追系统的状态轨迹沿着切换面运动所需要的控制力，称之为滑动模态的等效控制“…。将等效中国民用航空学院硕士学位论文根据上面的分析，可以从原理上得到设计变结构控制的基本步骤，控制器设计主要分为两个部分：１、可达性设计：寻求切换函数ｓ０），使它所确定的滑动模态渐进稳定且具有良好的动态品质。２、滑动超平面设计：寻求Ｈ＋Ｏ）结构控制，使滑动模态的存在条件得到满足，从而在切换面上形成滑动模态区。这样既保证了被控系统的所有运动于有限时间到达切换丽，又保证了切换面在滑动模态区，变结构控制系统就可以建立了。４．２．２变结构控制系统的品质分析变结构控制系统的运动过程，是由两部分组成，即由两个阶段的运动组成，如图所示。第一阶段是正常运动，它全部位于切换面之外，或有限次穿越切换面，也就是‰一爿第二阶段是滑动模态，完全位于切换面上的滑动模态区之内，如图４一ｌ所示：Ｘ，Ｘｌｍｓ（Ｘ．）＞Ｏｆ／ＩＩＶｏ／ｘ（ｏ）ｓ（Ｘ．）ｃｏ◆１、ｓ（Ｘ．）＜０图４一ｌ变结构控制系统的运动过程过渡过程的品质取决于这两段运动的品质，因为一般不可能一次性的改善整个运动过程的品质，从而分别要求两段运动各自具有高品质。选择“＋０）使得正常运动段的品质得以提高，选５０）使滑动模态的运动品质得到保证和改善…１。对于滑动运动段系统的运动，实际上也由两部分组成。一部分是运动点在切换面中国民用航空学院硕士学位论文时，滑动模方程与干扰无关，也即滑动模关于未知扰动或不确定性具有不变性。该琵誊勰烈冬氯蝴剥剁㈨缕国鼎掣娶烈裂娄旨甬鬣蜀嬲戡＂；％描梓韩驯幢眄甄融鲱型铝ｉｉ§｜蠢ｌ薹；州ｉｒ；ｔｇ蠢ｉ銎；ｉｌ，｝％ｉ≤；回翠氍埽耀滋啤巧翌坦攫淄曙：耐箍蔫黠嚣警：·速度频率响应５００Ｈｚ，定位超调蕞土薹囊蓍鼙ｌ翼耍雾雾ｉ整定时间２００ｍｓ，具有共振抑制和控制功能，可涵≤匿．《匿ｉ峨建灌塑翼鬣徘髓望Ｊ释；茹鞫鼬聪翳铂下盖机械的刚性不足，从而实现高速定位。·通过外接高精度的光栅尺，构成全闭环控制，提高了系统精度，内藏频率解析机能（ＦＦＴ），可检测出机械的共振点以便系统进行调整，可选择常规自动增益调整或实时自动增益调整模式。配有Ｒｓ４８５、Ｒｓ２３２ｃ通信接口，上位控制器可同时控制多达１６个轴。·自带２５００ｐ／ｒ，高精度型１７位型（２１７）增量式光电编码器。２、光电编码器编码器作为测量转速、线速度、角速度、线位移、角位移的一种传感器，广泛用于位置和角度的测量，编码器将这些机械运动转换成亮、暗光信号，再利用光电效应将其转换成电信号输出，如图５—２所示。本控制系统使用日本ＮＥＭＩｃＯＮ公司的０ｖｗ２一０６—２ＭＤ型增量式光电编码器，其输出为脉冲信号，脉冲个数与相对旋转角度存在确定对应关系，与旋转的绝对位置无关，精度较高，成本相对较低。通过预先设定一个基准位置，即可测得被测件相对该基准位置转动的角度大小。增量式编码器能够以数字的形式确定被测物体相对于某个基准点的瞬时位置，若配上相应电路，可用于测量角速度。它有两套敏感元件，一套用于检测方向，另一套用于检测转角。增量式编码器设一个基准码道，一个单独标志的扇形区，用以提供基准点，其产生的脉冲用来使计数器归零。图５—２增量式光电编码器结构图直线二级倒立摆系统的摆角输入为２个相同的通道，每个都由光电编码器、方向检测电路和计数电路等组成。２个光电编码器分别用来测量…级摆偏角Ｂ和二级摆杆偏角机电服伺流交制控，量制控的应相生产来卡制控动运由并，）等度速加、度速动移、动转动带动小车往返运动以保持两支摆杆的竖直状态。现将二级倒立摆系统作为单输入多其状态量为输出ｙ＝ｋ吼，日：】。在这晕变结构控制器的设计目标是当给系统施加一个阶跃输入时，小车能够跟踪该控制输入信号进行水平运动，带动两个摆杆运动，使它们保持竖ｂ斟鹫，３Ｉ口２，童４墨Ｉ，工ｓ工，ｌ８土２茗，工＝ｌ吼，茸６篁口２ｌ工８，！。ｉ霎垮则藩繇酮翼塑搬鲆裂霞卧）分别代表小车位移量、摆杆１位置、摆杆２位置、小车速度、摆杆１角速度和摆杆２角速度，６２．４（霞旦菡目鼢箱翟商目驰球÷５；孙骄ｉｔ蔺引癌凝磐拱季一萼謇奏孽垂擘ｊ要蠹黧毪童燮ｉ；耋。雾●ｊ１一差分式还是非差分式的编码器，Ａ相与Ｂ相的波形完全相同，仅存在９０。相位差。增量式光电编码器的输出脉冲波形如图５—５所示：也厂］厂］厂］Ｂ塑厂］厂］。厂］广图５—５增量式光电编码器输出脉冲典型波形编码器只有两个旋转方向，逆时针旋转对应的脉冲输出波形对应图５—５从左向右的波形，顺时针旋转对应的脉冲输出波形对应图５—５从右到左的波形。如果增量式编码器顺时针旋转，则Ａ相滞后Ｂ相９０。，逆时针旋转，则Ｂ相滞后Ａ相９０。。编码器各相的输出电平完全取决于其旋转位置。编码器旋转一周，Ａ相与Ｂ相所输出的脉冲数相同，其脉冲数决定了编码器的精度，通过从读取编码器的脉冲数，则可以计算出其相对的角位移量。如果有一个预置的标准位置，较蚣觳獾缏中国民用航空学院硕士学位论文阳Ｈ捌。一６，可知似，曰）可控。取切换函数为：ｓ写（》＝０，即为：５皇ｃｌｘｌ＋ｃ２ｘ２＋ｃ３ｘ３＋ｃ４工４＋ｃ５工５＋ｘ６使用二次型最优控制方法（工ＱＲ）“”求取变结构控制：对系统作线性变换：（４．２８）ｙ制。Ａ使得：（４．２９）∥。隐射同时叫：：】而原系统状态方程变为：（４．３０）萝。院扑阶５＝ｃｌｙｌ＋ｃ１１ｙ１１，（４．３１）其中ｃ１１暑１，＿）’１１＿ｙ６（４．３２）滑动模态方程现在可以写作：夕ｌ＝（一１ｌ一彳１２Ｃ１）ｙｌｙ＝Ｉｙｌ，），２，），３，ｙ４，ｙ５，ｙ６ｊ‘（４．３３）（４．３４）对＿），做线性变换：ｙ＝ｈ，可以将系统变成：），ｔ乃＋而，其中：ＯＯＯ００一５２９．３—２９４０．５５２９．３０Ｏ０５１９．５２９４０．５一５１９．５１０Ｏ００００１００００ｌ５．７—０．１：ＯＯ万：刚丁～：ＯＯ０Ｏ口＝船＝ＯＯＯ．００００１．Ｏ０００ＯＯ０变换以后的各个矩阵为００爿１１＝Ｏ００ＯＯＯ—５２９．３—２９４０．５００Ｏ５１９．５２９４０．５１００ＯＯ０１ＯＯＯ彳１２三１５．７一Ｏ．１００３１中国民用航空学院硕士学位论文ｓｏ）＝詈＋ｏ。一昙）ｅ一“于全双工或者半双工模式（４．３６）可以看出：当ｆ充分大的时潮嫩越受篙Ⅲ≮：迭萋醵罩驰訇。雒鼬鹜薯骶翼ｔ＃｜＊摹端警嚣菊ｌ—一！÷浠誊善３灞葡囊煺蜘强趔耍硼臻期。霎嬲剧笠艮韵律止缱裾；｜嚣ｉ；爹鳋聒藕薜阱ｊ悯滔强强酽誊岛＝曙翻莠翻野耐茧情撵啦灞涮灌。增懿妇；错误确灌燮卯ｈ系统外部存储器硬件设计：ｉ！一奏酏斟弱排弘强躺醚ｊ防ｇ”：．１ＴＭＳ３２０ＬＦ２４０７Ａ芯片的设计基于增强的哈佛结构，可以通过三组并行总线：程序地址总线、数据读地址总线和数据写地址总线，访问多个存储空间，其中的任意一组均可访问各自的存储器。芯片包含能提高系统性能和集成度的大容量片内存储器，用于外部存储器和Ｉ／Ｏ器件的宽范围地址，其地址映像分为３个可选择的空间：程序存储器（６４Ｋ字）、数字存储器（６４Ｋ字）、输入／输出Ｉ／Ｏ空间（６４Ｋ字），其中片内ＦＬＡｓＨ存储器有３２Ｋ。通常情况下作为程序存储器是够用的。但是，在程序未调试完成之前，直接把程序烧写入ＤｓＰ片内的ＦＬＡｓＨ存储器中进行调试效率不高，并且每次修改程序的重复性工作很多，而其片内ＲＡＭ程序或数据存储空间有限，对于调试程序时的临时存储是不够的。因此使用了片外程序地址空间进行访问外扩存储器。控制系统选用Ｉｓ６１６４１６芯片作为外部存储器，它采用３．３Ｖ供电，１２ｎｓ快速读写周期以及６４Ｋ×１６位字的存储空间，配合ＤｓＰ芯片上的外部存储器接口控制信号可以很容易的实现零等待状态访问时序。实现方法为：将／ＰＳ和／ＤＳ信号经ＧＡＬｌ６ｖ８逻辑相与后作中国民用航空学院硕十学位论文”“。例如，可以将４个转换值保存在保持寄存器中，然后同时将这４个值传送到转换器。表５．１１／ｏ地址０ｘ００００ＤＡＣＩ／０地址空间说明通道号图４—４采用自适应变结构控制器的阶跃响应曲线由图４—４可以看出响应超调彳较大，调节时间较长，因此需要对控制器参数进行调整““，根据以往的工程经验以及实际试验＝蚋％薹茎Ｏ霎｜蓄宇瓣篓萝季夔￥封篁萋蒌ｔ／睾再主垂ＯＸ蕈垂霪、：囊；要襄爹露鞘；譬ｗ蓥｜ｉｌ薹萌ｊ夔ｉ墓妯｜一ｌ霪｝ｊ曩ｉ）（雾轻ｎ？４妻描一萋，薹自目臻；瑁道中国民用航夺学院硕十学位论文图４—５采用自适应变结构控制器时的阶跃相应曲线由改进后的自适应变结构控制器。”的阶跃响应图４—５可以看出该闭环控制系统是稳定的，而且具有较好的动态性能。“和稳态性能。倒立摆小车的位移仿真曲线㈨见图４—６：乓饕避抽｝七粥ｍｄｓ图４—６采用白适廊变结构控制器时的小车位移实验曲线中国民用航空学院硕士学位论文倒立摆下摆杆（摆杆１）的位移方针曲线如图４—７所示蓥罐援赋卜Ｔｉｍ∥ｓ图４—７采用自适应变结构控制器时的下摆角位移实验曲线倒立摆上摆杆（摆杆２）的位移仿真曲线如图４—８所示：娶稔洱嫉辎ｑＴ｛ｍ∥ｓ闰４—８采用自适应变结构控制器时的上摆角位移实验曲线中国民用航空学院硕士学位论文相应的交流伺服电机控制电压仿真曲线如图４—９所示之幽锄器轺嚣鼎ｎｍｅ『ｓ图４—９采用自适应变结构控制器时的电机控制电压实验曲线自适应变结构控制器的切换函数仿真曲线４—１０所示：∞ｍ“ｓ图４—１０采用自适应变结构控制器时的切换函数曲线３７鬃隧埔露中国民用航空学院硕士学位论文５．３二级线性倒立摆控制系统硬件组成倒立摆控制系统包括基于ＴＭｓ３２０ＬＦ２４０７ＡＤｓＰ芯片的最小系统ｉｉＩＮＩｓＹＳ）以及连接倒立摆系统和ＤｓＰ芯片的外围扩展（０ｕＴＥＥ）电路，这样的分开设计是为了便于进行调试和进一步的电路扩展”…。详细的电路原理图参见附录中的图１和图２。二级线性倒立摆控制系统原理结构如图５—４所示：图５—４二级倒立摆系统硬件框图５．３．１ＤＳＰ芯片ＤｓＰ（ＤｉｇｉｔａｌＳｉｇｎａｌＴｉｍｅｉｉｏｃｅｓｓｏｒ）——数字信号处理器，它具有高处理速度（３０Ｍ／Ｓ）ｓｐｅｃｉｓｉｔｙ）的特点。每个处理周期能够进行多次乘加操作、以及高实时性（Ｒｅａｌ实时运算能力和实时的仿真模拟能力很强，通用性、可靠性也很高。４２中国民用航空学院硕十学位论文Ｃ＋Ｃ－图５—６光电编码器的方向检测电路图５—６所示的电路是光电编码器的方向检测电路，该电路的输入端接光电编码器的输出端一肼目和Ｂ相２路带有相位差的脉冲信号。该电路的输出端接计数电路，其中一路为正向角度输出信号（Ｃ＋），另一路为反向角度输出信号（Ｃ一）。首先由编码器引出Ａ相和Ｂ相两路信号，接着用施密特反相器ｕｌＡ和ｕ１Ｂ进行整形以消除干扰和噪声，整形后的信号经Ｄ触发器进行鉴相，最后经过与非门屏蔽，输出正向角度输出信号（Ｃ＋）和反向角度输出信号（Ｃ一）。２、计数电路图５—７输入脉冲计数电路在倒立摆系统的稳定控制过程中，两只摆杆在小幅范围内运动，计数脉冲很少，因此，计数脉冲没有经过分频器直接进入计数电路。计数电路用于采集光电编码器的矩形脉冲波列，二级摆杆光电编码器的的计数电路见图５—７。这里的光电编码器每旋转一周输出６００个脉冲，而二级摆杆通常的摆动角度不会超过１２。，所以最大的计数脉冲数目为‘崇×６００＝２０个，因此，计数电路选用２片７４Ｌｓｌ９３可逆计数器芯片，其计数器是８位可逆计数器，最大计数脉冲为２５６个，可以满足控制要求。系统工作时ＤｓＰ首先给计数电路发一个嚣数脉冲，使计数器的起始工作点为１２８，然后通过对于该数值进行加减即可以得到摆杆在左右两个方向上的摆动角度值的大小。一级摆杆的摆动角度数值以及小车的位移ｘ可以通过将一级摆杆和交流伺服电机光电编码器的计数脉冲信号Ａ＋（一级摆杆），Ｂ十（一级摆杆），Ａ＋（交流伺服电机），Ｂ＋（交流伺服电机）四个信号通过ＤＳＰ芯片的ＱＥＰｌ，ＱＥＰ２，ＱＥＰ３，ＱＥＰ４四个引脚输入，然后再通过４５中国民用航空学院硕士学位论文５．４．５其他模块除了输入输出和数模转换电路，还有指示灯和开关接口电路，晶体振荡器电路，ＪＴＡＧ接口，异步串行（ｓｃＩ）接口等部分，共同构成一个完整的系统以实现对倒立摆的控制。ｌ、电源电路采用外部电源供电，使用外接变压器（输出为一路正负１２ｖ。ｌＡ：一路正５ｖ，３Ａ），为系统提供一１２ｖ、＋１２ｖ，＋５ｖ的电压，由于电压输出不够稳定，需要经过控制系统外围模拟稳压电路进行稳压滤波。２、模拟稳压电路模块图５—１２稳压电路模块如图５—１２，外部电源提供的＋５Ｖ的电压经过７８０５的稳压得到更为稳定的＋５ｖ电压，然后经过电阻的分压得到＋２．５Ｖ的电压，图中ＴＬｃ２２７２的作用是作为稳压元件将＋２．５ｖ的电压经过稳定和转换得到＋２．５Ｖ和一２．５Ｖ的输出比较电压。３、电压转换电路图５—１３电压转换电路如图５—１３所示，其中７９０５芯片的作用是将外部电源提供的一１２ｖ直流电压转换成一５Ｖ直流，转换所得到的一５Ｖ电压输出提供给ＤＡｃ７６２５的一５Ｖ比较电压端子以及板上其他需要一５Ｖ电压的器件。４、总线隔离模块４９中圈民用航空掌院硕士学位论文输出。·ＸＴＡＬ２：片内振荡器驱动外部晶振的时钟输出。·ｃＬＫＯｕＴ／ＩＯＰＥＯ：时钟输出引脚。该引脚可以作为时钟输出或通用Ｉ／Ｏ，是多路复用引脚。还可以用来输出ｃＰＵ时钟或看门狗定时器时钟，由系统控制状态寄存器１（ｓｃｓＲｓｌ）中的ＣＬＫＳＲｃ（位１４）位决定，不用于时钟输出时可用作通用Ｉ／Ｏ。当一个备用复位时，该位被配置为从ＣＰＵ输出时钟ＣＬＫｏＵＴ。‘锁相环：ＬＦ２４０７芯片的Ｐ【。Ｌ支持从Ｏ．５～４倍输入时钟频率的乘法因子。锁相环时钟是一个片内模块，该模块为系统内的全体器件提供时钟信号，还可以控制低功耗的操作。ＰＬＬ的倍率由ＳＣＳＲｓｌ寄存器的第ｌｌ～９位决定。‘晶振：允许使用外部晶体振荡器或谐振器，来提供器件的时钟基频。外部时钟源模式允许内部的振荡器旁路。器件的时钟来自于连接到ｘＴＡＬｌ／ｃＬＫＩＮ引脚的外部时钟源输入。·外部滤波器电路：ＰＬＬ模块使用外部滤波器电路回路来抑制信号抖动和电磁干扰，使信号抖动和干扰的影响最小。电路中存在大量的噪声，在设计电路时还需要通过实验具体确定。滤波器电路回路连接ＤｓＰ芯片的ＰＬＬｌ和ＰＬＬＦ２引脚，通过配置不同的Ｒ。，ｃ．和Ｃ。的值可以获得所需的不同锁相频率。６、ＪＴＡＧ调试接口图５一１６ＪＴＡＧ调试接口如图５—１６，控制板卡有一个１４针（或２０针）的接口，如图５—１８所示（ｃｏＮｌ４），它是标准的ＪＴＡＧ边界扫描仿真接口，用于和ＤＳＰ仿真器连接进行硬件和软件的调试。７、稳压放大电路！里垦里塾至堂堕堡土芏丝望兰路吸收，在线路中不会建立任何的干扰电压，因此正是这些电阻引起了电源的噪声干扰。为了防止从电源系统引入干扰，系统供电采用隔离变压器。隔离变压器的初级和次级之间均用屏蔽层隔离，减少其分布电容，可以有效抑制初、次级之问寄生电容耦合所产生的高频噪声，同时在交流输入端加交流滤波器。在本系统中，也要确保交流伺服电机驱动器的地线可靠接地。在本系统设计之中由于控制电路工作信号电平低、速度快，印制板上元器件安装密度高，对电磁干扰很敏感，所用设计时尽量选用高集成度芯片，如ＧＡＬ器件代替系统中的一些逻辑电路。采用双层电路板结构，使用加粗线布电源和地（使用５０ｍｉｌ的线宽），接地点大面积敷铜，加大过孔的孔径而减少过孔数，增加地层连续性，部分重要信号线，如时钟，也要加宽（２５ｍｉｌ），元器件以ＤｓＰ为中心均匀分布。将ＰｅＢ划分为的数字部分和模拟部分，数字信号和模拟信号分别都只在各自区域布线，实现模拟和数字电源分割，模拟地、数字地通过磁珠一点接入，以减少数字电路与模拟电路之间的相互干扰。在电源和地之间放置多种容值的电容，以滤除多种频率成分的开关噪声，在每个集成电路器件附近布放去涡电容，并且要就近连接到对应器件的电源、地引脚上，合理配置以抑制导线电感的影响。对于Ａ／Ｄ、Ｄ／Ａ转换器件上的模拟、数字两种电源部分，采用将数字电源与数字地各自接到模拟电源和模拟地上的方法，而将＾／Ｄ的数字输出通过驱动器或锁存器缓冲后再送给Ｄｓｐ进行处理，就具有电磁屏蔽和静电屏蔽的作用。共阻抗干扰的抑制，选用高质量的电源并加大电源的功率容限，以获得较小的电源内阻：将模拟电路和数字电路的电源线和地线分开设置，各自直接接到相应的电源输出端上，以减少模拟电路和数字电路之间的共阻抗干扰：使电源线和地线的截面积尽量的大，长度尽量的短，这样可减小电源线及地线的阻抗，电能够有效地减小由公共电源线和地线所带来的各回路之间的共阻抗干扰。２、过程通道抗干扰措施为满足倒立摆摆杆转动角度的测量精度高、受外界干扰影响小的要求，保证控制系统的正常运行，在转动角测量电路设计时，采用了相应的抗干扰性设计，以消除噪声干扰，保证角度输出信号能够被计算机实时采集。（１）、光电编码器输出脉冲的采集光电编码器的输出为不大于２０ｋＨｚ的脉冲信号，在信号采集时，将光电晶体管的集电极开路输出的电流信号转换为电压信号，再经施密特触发器整形，输出矩形波列的电压脉冲信号。从而使光电编码器可靠地采集旋转轴的角度，输出稳定而又便于进行处理的电压脉冲信号。（２）、换向时的无计数误差设计由于在摆杆由顺时针旋转方向转换到逆时针旋转方向时或者旋转过程中振动时，会产生相应的计数误差，而在由逆时针旋转方向转换到顺时针旋转方向时不产生计数误差。所以在信号采集时，应首先通过其Ａ相和Ｂ相的相位关系，识别其旋转方向。由于计数误差存在加计数和减计数的对偶性，其±ｌ脉冲可使计数结果不产生误差。中国民用航空学院硕士学位论文第六章６．１控制对象结构控制系统软件设计用电阻率低的金属材料如铜、铝等做成屏蔽层，利用高频电磁控制系统软件系统控制对象结构如图６—１所涔！场对金属屏蔽层的作用，在屏蔽层内产生涡流，由涡流产生的磁场抵消或减弱干扰磁场的作用，这样就达到了电磁屏蔽的效果。若将金属屏蔽层接地，该屏蔽就具有电磁屏蔽和静电屏蔽的双重作用。藓衣氧氟副岂山囊蠹赠驵缯驰鏊驰釉硎篱舀算４、共阻抗干扰的抑制，选用高质量的电源并加大电源的功率容限，以获得较小的电源内阻：将模拟电路和数字电路的电源线和地线分开设置，各自直接连接到相应的电源输出端上，以减少模拟电路和数字电路之间的共阻抗干扰：使电源线和底线的截面积尽量选大，长度尽量短，这样可减小电源线及地线的阻抗，也可减小由公共电源线和地纛鬻瑟主舅雀斛扬￡ｉ；ｉ≤；Ｉ霎到蠹囊憾羹《莩阿乏妻嚣霆攀鬻理考雾甾礴翟爨鲋掣虱ｉ］ｊ！ｇ一；垂稚审弭ｌ｜侧雾羹刚蛐醍童藉０硝“Ｉ囊ｉ；一÷耋音盈鞋商掣蒸磊爵圈庶利即明篓碧譬中国民用航空学院硕士学位论文１、片级接口单元初始化。信号输入ＤＳＰ芯片２、内部数据存储单元初始化。ｌ将计算结果输出到电机解根据控制系统的实际功能需要，对软件设计任务模块ｍ１做如下分解：分机摆务Ｉ任电立计制设倒件控制软机统控系ｃ量制Ｐ控和制２．控器６到动得驱法ｌ。块模化始初元单储存据数，化始初口行串。３、延时与实时数据处理以及控制量输出模块。块模待等环循并器时定动启，理管制控断中，化始初量变序程、２。块模信通机算计与统系制控、４控器制模块。时定狗门看入加，期周行运个一有统系拟模，题问度精的样采件硬到虑考、控制系统的软件流程图如图６．２所示Ｊ图６．２控制系统软件功能框图中国民用航空学院硕士学位论文６．２．２控制系统软件功能流程图控制系统的软件功能流程图如图６—３所示：ｌ开始设定开门狗定时器（ＦＥＥＤＤＯＧ）ｌｌ禁止总中断对各个要使用的变量进行定义Ｉｌ系统各个部分初始化对需要计算的变量赋初值ＪＩＱＥＰ调用演示电路初始化程序ｄｅｍｏ（）ＪＳＣＩ系统利用电路初始化算法进行控制ｌｌ结束开总中断图６—３控制系统软件功能流程图６．２．３控制系统算法流程图控制系统具体的算法流程图如图６—４所示：中国民用航空学院硕士学位论文图６—４控制算法软件流程图中国民用航空学院硕士学位论文６．３倒立摆ＤＳＰ控制系统软件模块分析６．３．１正交编码脉冲（她Ｐ）电路的控制ＴＭｓ３２０ｕ浣４０７Ａ芯片的每个事件管理器（Ｅｖ）模块都有一个正交编码脉冲（ＱＥＰ）电路。该电路被使能后，可以在编码和计数引脚ａ廿１／ＱＥＰｌ和ＣＡＰ２／ＱＥＰ２（对于ＥｖＡ模块）或ｃＡＰ３，ＱＥＰ３和ｃＡＰ４／ＱＥＰ４（对于ＥＶＢ模块）上输入正交编码脉冲。正交编码脉冲电路可用于连接光电编码器以获得旋转机械的位置和速率等信息。使能丁Ｆ交编码脉冲电路时相应引脚的捕获功能将被禁止。两个ＱＥＰ输入引脚与捕获单元１和２（或３和４，对于ＥⅦ模块）共享，因此需要正确设置ｃＡＰｃＯＮｘ寄存器中相应的位来使能正交编码脉冲电路，并禁止捕获功能，从而将相关的输入引脚分配给正交编码脉冲电路。ＱＥＰ的时基可由通用定时器２（或通用定时器４，ＥｖＢ模块）提供，通用定时器必须设置成定向增，减计数模式，并以正交编码脉冲电路作为时钟电源。当正交编码脉冲电路的时钟作为通用定时器的时钟源时，选定的通用定时器将忽略输入引脚ＴＤⅡｉＡ，Ｂ和ＴＣＩＫＩＮＡ，Ｂ（定时器方向和时钟）。ＱＥＰｌ和ＱＥＰ２输入倒立摆系统的摆杆角度脉冲信号，用通用定时器２为它计数。另外用ＱＥＰ３和ＱＥＰ４输入倒立摆系统的小车位置脉冲信号，并用通用定时器４为它计数。由于系统采用的是ＯＶｗ２．０６．２ＭＤ型光电编码器，每旋转转一周输出６００个脉冲，那么一个脉冲就对应３６０。／６００＝Ｏ．６。。正交编码脉冲电路启动的设置如下：１、将所需的值装载到Ｅ、，Ａ的通用定时器２（或者ＥＶＢ的通用定时器４）的计数器、周期和比较寄存器中。２、设置ＥＶＡ的Ｔ２ＣＯＮ（或者ＥＶＢ的Ｔ４ＣＯＮ）寄存器，将通过定时器２（或者定时器４）设置成定向增，减计数模式，以正交编码脉冲电路作为时钟源并使能通用定时器２（或者定时器４）。３、设置ＣＡＰＣＯＮＡ（或者ｃＡＰＣＯＮＢ）寄存器以使能正交编码脉冲电路。６．３．２数字输入／输出（Ｉ／０）控制．ＩＭｓ３２０ｕｊ２４０７ＡＤｓＰ具有多达４１个通用、双向的数字加（ＧＰｌ０）引脚，其中大多数是基本功能和通用Ｉ／０复用引脚，该芯片大多数加引脚都可以实现其他功能。数字Ｉ／０端口模块采用了一种灵活的方法以控制专用ｌ，Ｏ和复用加引脚的功能，所有Ｉ／Ｏ和复用引脚的功能可通过９个１６位控制寄存器设置”…，寄存器分为两类：一类是Ｉ／Ｏ口复用空占寄存器（ＭｃＲｘ），用来控制选择№引脚作为基本或一般Ｉ，Ｏ引脚功能；另一类是数据和方向控制寄存器（ＰｘＤＡＴＤＩＲ）。当Ｉ／Ｏ口用作一般Ｉ／Ｏ引脚功能时，设置相应的数据和方向控制寄存器以控制数据和Ｉ／Ｏ引脚的数据方向。当Ｉ／Ｏ引主璺垦里堕窒兰堕堡圭堂焦兰兰脚用作基本功能时，这些寄存器的设置对相应的引脚是无影响的，所以在使用时要对每个Ｉ，ｏ引脚进行正确地设置后才能正常使用。另将１０ＰＢＯ～ＩＯＰＢ４、ＩＯＰＣ４～ＩＯＰＣ７和１０ＰＥｌ～１０ＰＥ６一共１６个引脚设置为通用Ｉ，Ｏ引脚功能，作为二阶摆杆偏移角度信号ｏ的输入。１Ｍｓ３２０ＩｊＦ２４０７Ａ芯片还提供１６个数据（ＤＯ～Ｄ１５）总线脚、１６个地址（Ａ０～Ａ１５）总线脚及存储器控制脚，提供外部６４Ｋ字的数据存储器、程序存储器及Ｉ／ｏ地址。Ｉ／Ｏ空间的访问可以由引脚俗的电平高低来进行区分。所有６４Ｋ字的Ｉ／Ｏ空间均可以用ＩＮ和ＯｕＴ指令访问。当执行ＩＮ或ＯＵＴ指令时，引脚嚣将变成有效。因此可以用引脚巧的输出作为外围Ｉ，Ｏ设备的片选信号。访问外部并行Ｉ／Ｏ端口与访问程序、数据存储器复用相同的地址和数据总线。数据总线宽度为１６位，若使用８位的外设，既可使用高８位、也可使用低８位数据总线。２当访问片内的Ｉ，Ｏ空间时，管脚拈和湖变成无效，也就是说，这两个信号驱动到高电平状态。外部地址和数据总线仅当访问外部怕存储器地址时有效。对于所有的外部写操作，需要两个时钟周期，包括胞变低电平之前的半个周期和Ｈ西变高电平之后的半个周期，这样可以保护外部总线上的数据内容。这里使用数据总线的这个功能，通过它输出计算好的系统控制量ｕ到７４Ｈｃ２４５Ｄ／Ａ转换芯片，之后将模拟电压量发送给伺服电机驱动器，实现对倒立摆的控制。举例说明如何直接访问Ｉ／Ｏ空间：ＩＮＯｕＴＤ加，ＯＡＩ砸Ｅｈ；从端口４５０３８的外设读取数据，并存入寄存器啪。ＤＡ，ｒ７，ＯｃＦＥＦｈ；输出数据存储器ＤＡｌ７的内容到端口５３２３１的外设。６．３．３模拟／数字（Ａ／Ｄ）转换器控制ＴＭｓ３２０Ｕ砣４０７Ａ芯片内部有两组的模拟／数字转换器（Ａ＿ｎａｌｏｇ．ｔｏ—Ｄｉｇｉｔａｌｃｏｎｖｅｎｅｒ），简称ＡＤｃ，可将输入的模拟电压信号转换为数字量。在√～巾转换过程中，它以参考电压（圪，）为基准电源，１０位Ａ／Ｄ转换可以形成１０２４位的电压准位，转换时间为８５０ｍｓ。ＡＤｃ模块有４个相关控制寄存器，用于设置、控制及存储转换所得数字结果，是ＡＤＣ控制寄存器（ＡＤＣＩ’ＲＬ）１和２以及ＡＤＣ数据寄存器（ＡＤＣＤａｔａＲｅ窟ｉｓｔｅｒ）１和２，虽然并未使用Ａ／Ｄ模块，也将它设置好预留做为以后扩展系统之用。６．３．４串行端口接口（ｓｃＩ）控制次模块分为２部分，其…是串行通讯接口（ｓｃＩ）主要是应用于ＵＡＲＴ和ＰＣ的Ｒｓ２３２相连接。其二是串行外围接口（ＳＰＩ）则是晷霸割甬蠹硬词砸稍矗要霉靶觏鞠ｉ麓黝嵇删鞴主里垦旦鉴至堂堕堡主堂垡堡兰的软件和硬件运行情况。当出现程序异常时，ｗＤ定时器的数据溢出可以引发一个系统复驰业√；鬣锸耐而嚣等够直系青茵晷眨醛茺葡喜耘矧孽ｉ筘投野三一日鋈曼售蠕殁嚣张鹊臻肋作的微不足道的＿＝［佧戛萤塞ｊ强Ｍ冀虿爱￡：匿掣乙蠢一嚣埋删圣磬夏预狸潲囊警点国噬固埔壤瞎哮噬：华采与一县蛹孽蚰舅勒鼹婿姐拦艘眨魑；照翻料撼隧怂瓢醛一馥勉聪；Ｉ。。张老师学识渊博，风气严谨，平易可亲，诲人不倦，他对问题清晰敏锐的学术洞察力使我受益匪浅，同时也促成我在学习和工作中的分析及解决问题能力的进一步提高。张老师除了在学业上对我全面指导之外，更言传身教我如何为人处事。值此论文完成之际，谨向张鹏老师致以衷心的感谢！感谢我最亲爱的家人——可亲可敬、含辛茹苦的父亲、母亲以及聪慧可爱的妹妹。他们一直在默默地给予着我不遗余力的关怀、支持与帮助，没有他们长期的关爱与教导，我的学业是绝不可熊完成的，在论文付梓之际，特向他们致以我最诚挚的敬意与谢意！感谢我的师兄陈振锋博士对我在开发实验过程之中所做的指导与帮助，还有０１级程伟、潘尧同学与我一起所做的开发调试工作！感谢我挚爱的同学、朋友们陪伴我走过人生之旅中这近一千个日夜，他们伴我一同谱写出了青春岁月的华美乐章，我将永远珍藏那些留在我的人生长卷之中的浓墨重彩！感谢我的母校为我所提供的良好与充足的教育资源，还有各位老师的不吝赐教！授的辛勤工作致以衷心感谢！中国民用航空学院硕士学位论文６．４控制软件软件开发环境当源程序编写完成之后，就要选择开发工具和环境进行调试：一种是非集成的开发环境。另一种是集成开发环境Ｃ（通ｅｃｏｍｐｏｓｃｒＳｔｕｄｉｏ，简称ｃｃｓ，这里程序编写使用的是ＣＣＳ２．０版本嘲。在非集成环境下ＤｓＰ的开发工具都局限于代码生成工具（编译器、汇编器和连接器）和代码调试与分析工具（源代码调试器与分析器）。大多数情况下，这些工具都是分开使用的，不能共享数据，要不停地在不同的界面之蚓切换，很不方便。ＴＩ公司为了配合１Ｍｓ３２０系列ＤｓＰ芯片而推出了Ｃｃｓ，它是一个高度集成的开发环境，可以将代码编辑、调试、项目管理、代码分析和探测点集成在一个环境里；支持ｃ／汇编语言混合编程，具有ｃ编译器、汇编优化器和连接器ｒ代码生成工具）；集成指令集仿真器；通过实时的基础软件ｆＤｓＰ／ＢＩＯｓ），在主机和目标机之间的进行实时数据交换，实现实时分析和数据的可视化；采用ＪＴＡＧ（１４针或者２０针）仿真调试方式，支持多目标处理器联合调试。因此选用ｃｃｓ软件集成开发环境作为软件开发工具。６．５控制软件源程序说明一个完整的可执行ＤｓＰ的ｃ语言应用程序应当包括以下４种类型的文件。”：１、ｃ语言文件（．Ｃ文件）：它是必须要有的，属于源程序。详细的ｃ语言文件见附录Ｂ。２、命令文件（．ｃｍｄ文件）：首先链接器的主要作用是根据链接命令或链接命令文件（．ｃｌｎｄ文件），将一个或多个ｃＯＦＦ目标文件链接起来，生成存储器映射文件（．ｍａｐ文件）和可执行的输出文件（．伽ｔ文件）。所以链接命令文件是将链接的信息放在一个文件中，这在多次使用同样的链接信息时，可以方便地调用。在命令文件中可以使用两个十分有用的伪指令ＭＥＭｏＲＹ和ＳＥｃＴｌ０ＮＳ，用来指定实际应用中存储器结构和地址的映射。具体的链接器命令文件见附录Ｂ。３、头文件（＿ｈ文件）：它定义ＤｓＰ内部寄存器的地址分配，编制调制之后即可被其他程序反复使用，头文件程序见附录Ｂ。４、汇编语言文件（．ａＳｍ文件）：它则是根据实际情况而定，一般程序的复位和中断向量需要用汇编语言进行编制。出于控制软件内容庞杂，论文篇幅有限，不能在此…列出以及进行语句分析，全部的源程序请详见论文最后的附录部分。６．６软件抗干扰设计在工程实践中，软件抗干扰研究的内容主要是：一是消除模拟输入信号的嗓声（如数字滤波技术）；二是程序运行混乱时使程序重入正轨的方法。中国民用航空学院硕十学位论文在本软件设计过程中，采用的软件抗干扰方法主要包括以下几种“…：ｌ、数字滤波技术在控制系统的数据采集通道通常会存在干扰信号，利用ｃＰＵ的运算功能滤除这些干扰，这就是数字滤波技术。数字滤波通常有如下方法：程序判断滤波法、中位值滤波法、算术平均值滤波法，一阶滞后滤波法等。２、指令冗余技术ｃＰｕ取指令过程是先取操作码，再取操作数。当Ｐｃ受干扰出现错误，程序便脱离正常轨道“乱匕”，当乱飞到某双字节指令，若取指令时刻落在操作数上，误将操作数当作操作码，程序将出错。若“跑飞”到了三字节指令，出错机率更大。在关键地方人为插入一些单字节指令，或将有效单字节指令重写称为指令冗余。通常是在双字节指令和三字节指令后插入两个字节以上的ＮＯＰ。这样即使乱飞程序飞到操作数上，由于空操作指令ＮＯＰ的存在，避免了后面的指令被当作操作数执行，程序自动进入正确顺序。此外，对系统流向起重要作用的指令如ＲＥＴ、ＲＥＴＩ、ＬＣＡＬＬ、ＬＪＭＰ、Ｊｃ等指令之前插入两条ＮＯＰ，也可将乱飞的程序纳入正轨以确保这些重要指令的执行。３、拦截技术所谓拦截，是指将乱飞的程序引向指定位置，再进行出错处理。通常用软件陷阱来拦截乱飞的程序。这里面主要需要解决好两个方面的问题：一是先要合理设计陷阱；其次要将陷阱安排在适当的位置。（１）、软件陷阱的设计当乱飞的程序进入非程序区后，冗余指令便无法起作用。通过软件陷阱，拦截乱飞程序，将其引向指定位置，再进行出错处理““。软件陷阱是指用来将捕获的乱飞程序引向复位入口地址ｏ０００Ｈ的指令。通常在ＥＰＲ０＾Ｉ中非程序区填入以下指令作为软件陷阱：ＮＯＰＮＯＰＬＪＭＰ００００Ｈ其机器码为ｏ００００２００００。（２）、陷阱的具体安排通常在程序中未使用的ＥＰＲＯＭ空间填０００００２００００。最后一条应填入０２００００，当乱飞程序落到此区，即可自动入轨。在用户程序区各模块之间的空余单元也可填入陷阱指令。当使用的中断因干扰而开放时，在对应的中断服务程序中设置软件陷阱，能及时捕获错误的中断。如果系统未用到外部中断１，外部中断ｌ的中断服务程序可为如下形式：ＮＯＰＮＯＰＲＥＴＩ返回指令可用“ＲＥＴＩ”，也可用“Ｉ』ＪＭＰｏｏＯＯ”。如果故障诊断程序与系统自恢复６Ｓ中国民用航空学院硕士学位论文程序的设计可靠、完善，用“ＬＪＭＰｏ０００Ｈ”作返回指令可直接进入故障诊断程序，尽早早尽，序程断诊障故入进接直可令指回返作”Ｈ０００ｏ地处理故障并恢复程序的运行。地处理故障并恢复程序的运行。经过对该软件的实际调试与运行，采用上述抗干扰措施编写的软件运行状况良好，达到了预期的设计要求。达到了预期的设计要求。６６害昆疆薯聋繇芏茬嚣垂雾至囊囊蕈霎羹荔雾耋主誉二囊萋囊蔫型器雾器智蛋恭嵩蹦露舞囊警满圈；聋媛翌掣五擅氍凿卓也｜ｌ囊ｇ套基雏型鞋艚醮蚋怖移呐畦驯弘留二如其；萋囊饕妻～§曩鑫篓耋，§霪塑蠹；～；雾萎誉；呸ｊ墓饕囊§一§蕈奏薹｜～苷ｉ萋聒鲥箭酚鲥雒臻孤｜ｉ擎赋冈旧遗÷臻哩瑶翱石并奔莘幂囊删茫楚；｛辄鞴柱；薹世雾￡女§＃§§§ｉ董ｊ蔬疆群插型茴｜薹州秘驰｜荔荸～謇｜！：自翮萋。１１１毒氅ｉ时蠹～攀；？ｉ斋掣鞋型丽塥嘲隘崤降；氍剥糖强蔓ｉ薹然堕嚣瑟髅铩翟。旧旧獗溺鞫海ｉｉ蒌强掣。；；１涵溏淋圆强霸蕊萎怙峪ｍ｝妥鲤謦彗冀籀亨土孺孬；酾剜！ｉ蠹蓦创ＩＩ塞湛浠§影默ｎｊ童翳荔蓦姜酣塑鏊譬；邕配酲｜霎鳢囊攀奏秘斟酥。’｝翕海给嶝璎嘤峪。懑蒂崩孑底驯掣∞誊鲁型巫葱翼寺ｉｆ鬟鞋柏妇始舞“铥。ｑ葫销强幽晒ｌｌ州羹蠹罐埠掌％馕。滗高添潞裂剧壤瀣璎谔蠼博四固卫肾艮。荆蔑％戮烈擎＝ｌ壬；墨廷；鳃盼秘《薯“摧篡。栝备辇堕谷ｌ熟：镯墨葡韵多ｉ劐到魏黜斟；舞鞘螽韵薹出；ｌ萋篱蠹醒ｉ型娶雹划麟糍曦嘲吲：矿爨＠≤，溢嫩澎脚强嵝淳嗍攫嘲葫濉浏。堑菩鸵删蚜墼骡鹭塑萤拥棼妻萋莩鎏瞄翌餮高巅毛蜀剖！蒯掣蕊撕掣型掣般娶裂；０一醮舅∞描蒜炉二乍蠢鬻羔鹪隧螂狮舅酐姐鹭型提霉至蘩譬蕖歪圜赢筠粤黄焉髫国：翊ｐ鞭打刊蘸竿誊掣笛钳嚣６ｎ嗡鬟鏊。Ⅲ引矾引娑雨稀楚函饿嫩诨缛；进行了仿真分析豁帕勺酥张潍拍霾淫ＩＩ爵薹ｉ蚕§妻ｉ旧喇淄吲晦ｉ塞理蓄萎蠡羹述＿片噬怕通鞘潞怖浮潮拍鞋ｉ了相赢丽秘赫崭稚槌；蝉陋霹坐静酵明甄矧联ｉｊ孽牲尉；｝囊尊；萎錾勰ｉ萋藿ｌ矿甫§；羲掣鼙ｉｉ雾ｉ目Ｆ融溺珏蟊虱垂！巧溶褊确禧獍磷ｊ奏誊；墓ｌ：著塑ｉ戛薹ｌｊ粥“引到葡髫簦霉差薹薹霉美醴翌Ｉｉ刚蠢！≤？§《积引粒；：；《。§砚删善菲捎ｉ褰；蓁｜豫１峙鲢羹譬喜目ｌ善嘎喇ｌ瘴逵蠹菡等譬甜爱础訾霉嘞薛獗稀；埋嶙恒吾暖；霎！妻｝ｉ垂凳．§！．婆ｉｉ｝｝ｉｉ摹＊《女｝盖｝；；ｉ影匿譬萋露，韵摧Ｅ诸锺卒毒鼎稀黪翻啦攒落等丑谢。望；ｉ鏊和特性罘塑ｉ蕾即缎龌瓢酗ｉ霎。ｉ毹骱秭“格ｉ±＝｜“翟；篓革嘲渺一扈潮ｇ建ｌ嘉甜美筝裂碉蕊；辖磊蘸田鞋｜｜蓁薹磊。置蓼薹崧培孺攀缎酶鞘拜礴竹＂殛ｊｊ迎噶捌。呻媸譬巷耘鼬越吲篓囊萎羹羹崩ｊ叠催薹耍了系统啦可ｉ髓鬟簦ｉ！篓羹ｉ：系≤蟹骢窆１翥孽静暖射照鐾；塞冀薹薹ｊ；ｉ；ｉ耋ｌ｜ｉ；！ｉ；蒂！ｉ于鼋嘲唾峨斟墓：蠹叶匪；曝潦崾箱蹲灌壤啊列Ｈ婪畦Ｍ鼹融巧＂驰，ｌ，１．■菱律遵薹辉重；？ｔＩ；蜊塑勤卵醵嚣基；＆隘；群…王ｉ｝ｆ醛Ⅲ符屯己蠢｜；羹ｉｌ尚≮矗憾疆怖蠹藿霎墓掣霉豢螂羹薹琶ｌｉ莲圆裂：龇ｖＫ墼阿场谚璎咎ｉ壤錾ｌｌ拱彭晷霸割甬蠹硬词砸稍矗要霉靶觏鞠ｉ麓黝嵇删鞴中国民用航空学院硕士学位论文［１８］伍小芹．变结构控制在平台稳定回路中的应用研究［Ｄ］：［硕士学位论文］．哈尔滨：哈尔滨工程大学，１９９９［１９］荣海春．二阶倒立摆的滑模变结构控制［Ｄ］：［硕士学位论文］．哈尔滨：哈尔滨工业大学，２００４【２０］赵梅花．二级倒立摆平衡系统变结构控制器的设计与仿真研究［Ｄ］［硕士学位论文］．洛阳：河南科技大学，２００３［２１］李爱国．变结构控制理论及其在二级倒立摆控制中的应用［Ｄ］：［硕士学位论文］．大连：大连海事大学，２００４［２２］丁景涛，周凤岐．二级倒立摆系统的变结构控制实现［Ｊ］．西北工业人学学报，２００２，２０（３）：４１０—４１３【２３】ｍｌｋａｈａｓｈｉＭ，ＮａｍｋａｗａＴ，ＹｂｓｌｌｉｄａＫ．Ｉｍｅｌｌｉｇｅｎｔｓｔａｂｉｌｉｚａｔｉｏｎｃｏｎｔｒｏｌｔｏａｒｂｉｔｒ盯ｙＮｉｐｐｏｎｌ（ｉｌ【ａｉＧａｌ【ｋａｉｅｑｕｉｌｉｂｆｉｕｍｐｏｉｎｔｏｆｄｏｕｂｌｃｉｎＶｅｎｃｄｐｃｌＩｄｕｌｕｍ，１６（１）：１５．２２Ｒ呻ｂｕｎｓｈｕＣＨｅｎ，【２４１Ｈ蛐ｓＩ。尉ｍｉⅡｖｅｒｔｅｄＪｓ，ＱＩｏｉＪｗ．Ｒ曲ｕｓｔｗｉｔｈｄｒｙｎｏｌｌＩｉｎｅ盯Ｈｓｕｂ２用ｓｕｂ（ｉｎｆｉｎｉｒｙ）ｃ∞们ｌｆｏｒＪｏｕｍａｌ，ＳｅＩｉｃｓａｐａｒａｌｌｅｌｐｅｎｄｕｌｕｍｆｒｉｃｔｉｏⅡ．ＪＳＭＥｂｔｅｍａｔｉｏｎａｌＣ：Ｍｅｃｈ卸ｉ∞ｌ［２５］ＳｙｓｔｅｍｓＭａｃｈｉｎｅＥｌｅｍ∞ｔｓ＆Ｍ柚ｕｆａｃｔｕｒｉＩＩｇ，２００２，４５（１）：１９４·２０３刘金琨．先进ＰＩＤ控制ＭＡＴＬＡＢ仿真［Ｍ］．北京：电子工业出版社，２００４．１６０一１８０ｃＡ，ｓｕＨ【２６】ｗｏｏｄｈ锄（１）：８２３－８３６Ａ．ｃｏｍｐｕｔａｔｉ衄ａｌｉｎｖｅｓｔｉｇａｔｉｏｎｏｆｐｏｌｅ—ｚｅｍｃａｎｃｃｌｌａｔｉｏｎｆｏｒ２００２，ａｄｏｕｂｌｅｉｎｖｅｎｅｄｐｅｎｄｕｌｕｍ．ＪｏｕｍａｌｏｆＣｏｍｐｕｔａｔｉｏｎａｌ孤ｄＡｐｐｌｉｅｄＭａｔｈｅｍａｔｉｃｓ，１４０［２７］飞科科技产品研发中心！里垦旦塾至兰堕堡主兰些丝苎［３７］黄英哲，董胜源．ＴＭｓ３２０ｃ２４０原理与ｃ语言控制应用实习［Ｍ］．北京：中国水利水电出版社，２００３．６０一８０，２４０一２６０［３８］彭启宗，管庆等．ＤｓＰ集成开发环境——ｃｃｓ及ＤｓＰ／Ｂ１０Ｓ的原理与应用［Ｍ］．北■ｍ罐；影咧委，辩墼驰ｉｌ旃《日＾＂｛：《教授攻读京：电子工业出版社，２００ｉ：ｉ≥ｉ一；！ｌｉ；；ｉ硕士学位。以下是攻读硕士学位期间所取得的研究成果：［１］张鹏，邹蓬，陈艳．基于Ｈ。报．２００５（４）：４６—５０理论的二级倒立摆控制研究．中国民航学院学中国民用航奉章瞎稀罕盛雨嚣寻ｉ目＆ｌ蓁耋羹萋，萎Ｆ二誓鲥黜塾盼业联朝孵醵ｙ“心甄剐舅；ｉ！，ｌ钧压僧灞澎％｛ｊ氍露刖ｊ匿，蜀较翱疋斌。｜§耋ｉｉｌｌ；万萌福：茸徉精翟她羽甄旨翻囊簿象军ｉｉｌｊ！￡掮Ｆ丽㈣毳！。矧辊鞋ｉ瑚悍湛璐惯垒霞ｊ！ｌｌ§ｉｉ毯ｂ眩睡卯，种＊鲰醚黎强掣袭器癸蛋麓龋爨鞲砰餐贴密臼擀鞴摆ｉ坦￡渤ｉ，髋埘，堰趟强楚灌嘤；ｌ≥§！害髭疆鬈妻繇￥甓纂蔓薹雾主蓁！！｜｜蓁冀阳。醴型鹨÷“鉴≤；－ｉ目０ｂ＃繁甚型＃剥副ｒ溺蘸喜蘩嚣ｌｖｊ；耷佯；箭箨举斋星蓄罩矗娶ｉＩｉｉ；。≤ｉ—ｉ｜；！ｌ≤一ｉｌｉｌ≤§ｉ院辆澜，董转兽：囊ｊｓ鞭型琴菩蜕漳—－÷萼；擘ｊ？自！！ｉＩ羔苘算鬲曳稀邕ｉｉ｜；：螓烈；塑■姓塑氢镏韫。｝ａａｉ：ｉ≥ｉ一；！ｌｉ；；ｉ■ｍ罐；影咧委，辩墼驰ｉｌ旃《日＾＂｛：《间期位学士硕读攻是下以。位学士硕读攻授教］１［张鹏，邹蓬，陈艳．基于Ｈ。：果成究研的得取所２［０］５—６４：）４（５００２．报学院学航中．究研制控摆立倒级二的论理二级倒立摆控制系统研究

作者：

学位授予单位：

邹蓬

中国民用航空学院

1.学位论文 王社阳 二级倒立摆系统控制方法的研究 2002

该文推导了二级倒立摆的数学模型,研究了它的控制方法,并进行了实际的实验操作.首先,在参考大量的国内外文献的基础上,分析和综述了近年来国内外控制二级倒立摆的新理论和新方法,如模糊控制、H<,∞>设计方法、神经网络、滑模变结构控制、混合控制等等.其次,分析了二级倒立摆的数学模型,并给出了极点配置、最优控制和状态观测器的设计,实现了运用现代控制理论对二级倒立摆的控制.然而,由于极点配置、最优控制的抗干扰能力差,鲁棒性弱,所以尝试运用模糊控制对二级倒立摆进行控制.该文引入了综合误差和综合误差变化率的概念,大大的减少了模糊控制器的输入变量,从而减少了模糊控制器的控制规则,使控制器的控制规则更简单、有效.因为模糊控制器的设计很大程度受人为因素的影响,所以提出了用自适应遗传算法对模糊控制器的参数进行优化.自适应遗传算法克服了常规遗传算法容易早熟的问题.这种自适应遗传算法在运算过程中,对所遇个体采用具有选择性的复制、交叉和突变概率的自适应方法,从而提高了群体的多样性和遗传算法的搜索能力.

2.期刊论文 赵银银.ZHAO Yin-yin 分级模糊滑模解耦控制方法在二级倒立摆中的应用 -北华大学学报（自然科学版）2008,9(6)

采用分级模糊滑模解耦控制方法 ,将二级倒立摆非线性系统解耦成几个次级系统,基于Lyapunov函数的自适应规则来调解分级滑模控制器的耦合因素,并且通过仿真实验,在保证系统稳定性的基础上,获得了良好的解耦性能,同时也验证了该方法 的可行性及优于采用常规模糊滑模解耦控制的解耦性能.

3.会议论文 廖道争 二级倒立摆的拟人智能控制 2008

以二级倒立摆为被控对象，利用拟人智能控制方法设计了系统的非线性控制律。与传统的控制方法相比，拟人智能控制方法不受线性约束，从而对于复杂的非线性被控对象可以得到满意的控制结果。对二级倒立摆控制系统进行了数字仿真，仿真结果进一步验证了设计方案的有效性。

4.学位论文 H<,∞>鲁棒控制理论及其在二级倒立摆中的应用 2003

该文对H<,∞>标准设计问题和H<,∞>状态反馈控制方法做了较为详细的研究和讨论,系统总结了干扰抑制问题,参数不确定系统H<,∞>鲁棒控制的设计方法,并利用该方法对二级倒立摆系统进行了H<,∞>控制器设计.该文从刚体运动学角度分析了二级倒立摆系统的运动,并利用有关动力学基础知识和倒立摆实验装置的实际数据对二级倒立摆系统进行了数学模型的建立.然后采用基于Riccati方程的H<,∞>状态反馈控制理论为二级倒立摆系统设计状态反馈控制器.在该文工作中,同时开发和编制了二级倒立摆控制程序,此程序主要用于倒立摆的控制实验,采用Turbo C编制,论文对控制程序进行了概述,简单给出了程序的构架、组成部分、数据结构、控制算法和功能.用设计出的LQG控制律和H<,∞>控制律在实际二级倒立摆装置上进行了实验,LQG控制方法实际效果较差,而使用H<,∞>控制方法则可以有效的改善控制效果.

5.期刊论文 薛花.纪志成.沈艳霞 倒立摆系统的模糊控制方法 -江南大学学报(自然科学版)2003,2(4)

阐述了基于二级倒立摆的两种模糊控制方法,即模糊逻辑控制方法和分层模糊控制方法.模糊逻辑控制方法是将二级倒立摆系统的6个状态变量加权变化为两个参变量,再用模糊控制器实现稳定控制.而分层模糊控制是将状态变量分解为子系统,设计下层模糊控制器对其控制,上层模糊控制器负责整个系统的协调和管理,实现稳定控制.实验结果表明:分层模糊控制较模糊逻辑控制具有更好的控制效果.

6.学位论文 许瑾 模糊控制在二级倒立摆系统中的应用研究 2007

倒立摆为典型的快速、多变量、非线性、绝对不稳定系统，对倒立摆系统的稳定性研究在理论和方法上均具有深远意义。它不但是验证现代控制理论方法的典型实验装置，而且其控制方法和思路对处理一般工业过程亦有广泛的用途。 本文首先分析和综述了近年来国内外二级倒立摆系统控制的新理论和新方法，如模糊控制、神经网络控制、混合控制等。其次推导了二级倒立摆系统的数学模型，分析了系统的稳定性、能控性和能观性，并在此基础上给出了线性最优控制器的设计，实现了运用现代控制理论对二级倒立摆的控制。但是二级倒立摆系统抗干扰能力较差，鲁棒性较弱，所以本文运用模糊控制方法对二级倒立摆进行控制，引入了综合误差和综合误差率的概念，减少了模糊控制器的输入变量个数，从而简化了模糊控制器的控制规则，使控制器的控制规则更简单、有效。最后通过对二级倒立摆系统的仿真，验证了模糊控制器具有抗干扰能力较强，鲁棒性较好的特点。

7.学位论文 王红霞 二级倒立摆的稳定控制 2002

该文以二级倒立摆模型为控制对象，分析了模型参考自适应控制方法的优缺眯，并以变结构控制方法实现了二级倒立摆的实是控制.完成了模型参考自适应系统的控制仿真，编写了控制程序，改进了原有的控制驱动电路.该文的主要内容有：二级倒立摆系统模型的确定;控制对象模型校正;参考模型的选择;采样频率的选取;PWM功率驱动的改进，制作和调试;模型参考自适应控制的系统仿真以及变结构控制程序的编写等.最终实现了二级倒立摆的稳定控制并对结果做了必要的分析.

8.期刊论文 曲慧杨.王清.马广富 一种基于遗传算法的神经网络控制方法 -自动化技术与应用2003,22(9)

本文比较了传统的BP算法和遗传算法用于神经网络设计的优缺点,阐明了遗传算法和神经网络相结合的必要性.提出了一种用遗传算法同时优化网络的结构和权值的神经网络控制方法.通过对遗传算法基本参数及编码方案、遗传算子的设计,实现了权值与结构的同时优化,成功地应用于二级倒立摆系统的控制.仿真结果显示了这种遗传算法能够有效抑制早期收敛,以较快的速度与较高的精度达到全局快速收敛.

9.学位论文 朱俊辉 基于变结构控制的二级倒立摆稳定控制 2006

本文以二级倒立摆模型为控制对象，分析了变结构控制方法的优缺点，并以变结构控制方法实现了二级倒立摆的实时控制。完成了变结构控制的控制仿真，编写了控制程序，描述了实验过程及实验中的问题。 本文的主要内容有：二级倒立摆系统模型的确定；控制对象模型校正；变结构控制的系统仿真以及变结构控制程序的编写等。最终进行了二级倒立摆的稳定控制并对结果做了必要的分析。

10.学位论文 江敏 二级倒立摆控制算法的研究及实现 2000

该课题旨在研究如何用智能控制的策略来实现对二级倒立摆的控制,特别是研究如何通过遗传算法来确定模糊控制器的参数.论文首先根据二级倒立摆的数学模型对其进行分析,并对其控制方法进行了总结和论述.根据倒立摆系统传统控制方法中存在的一些问题,提出了用遗传算法获取模糊控制器的参数,采用模糊控制的方法控制二级倒立摆的方案,并进行了大量的仿真研究,证明了这种方案的可行性.最后,探讨了倒立摆控制系统作为非线性系统的智能控制的发展趋势.

本文链接：http://d.g.wanfangdata.com.cn/Thesis_Y880731.aspx

下载时间：2010年3月10日