馬 杰 張景鈺

（陜西工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院 機械工程學(xué)院，陜西 咸陽712000）

1 概述

倒立擺系統(tǒng)在控制學(xué)科是一個非線性、不易控制、階次高、變量較多、變量之間關(guān)聯(lián)性較強且穩(wěn)定性較差的系統(tǒng)，從19 世紀中期開始, 倒立擺系統(tǒng)就常被用于控制領(lǐng)域的研究[1-3]。在控制學(xué)科中，一些不易理解的概念，都可以通過倒立擺擺桿的控制展現(xiàn)出來[4,5]。除了在理論上的應(yīng)用，對倒立擺擺桿控制算法研究還可遷移到對行走機器人平衡性的控制、發(fā)射火箭時其豎直度的掌控以及其他的常見的工業(yè)控制領(lǐng)域都可通過對倒立擺的控制進行研究[4,5]。因此從理論和實際來看，對倒立擺的研究有著重要意義[6,7]。國內(nèi)外對于直線一級倒立擺或環(huán)形一級倒立擺的研究較多，相對而言，對于二級倒立擺的研究就相對冷淡，同一級擺的控制相比，二級擺的控制更加復(fù)雜多變。與一級擺相同，環(huán)形二級倒立擺的控制研究也分為兩部分：將擺桿甩起的控制及在豎直向上位置的穩(wěn)定控制。作為欠驅(qū)動系統(tǒng)，二級擺的穩(wěn)擺控制是通過電機直接驅(qū)動與之連接的水平連桿，帶動與之相連的垂直面內(nèi)的中間連桿，從而控制連在中間連桿末端的擺桿垂直穩(wěn)定在豎直向上的位置[8]。本文主要是針對環(huán)形二級倒立擺的擺桿穩(wěn)定控制問題進行研究，通過對二級倒立擺建立數(shù)學(xué)模型后，借助MATLAB 平臺加入LQR 控制器進行仿真，通過固高環(huán)形二級倒立擺實時控制臺進行實驗驗證，分析LQR 控制器應(yīng)用于環(huán)形二級倒立擺的控制效果。

2 系統(tǒng)建模

針對實驗室現(xiàn)有倒立擺試驗系統(tǒng)，抓住建模主要影響因素，在假設(shè)的情況下，把環(huán)形二級倒立擺簡化成由一個水平桿、兩個豎直方向的擺桿以及連接各獨立部件的兩個質(zhì)量塊組成的系統(tǒng)。不同于以往二級擺簡化建模，此處考慮到編碼器及連接質(zhì)量塊的重心問題，使所建模型更貼近實物，其對應(yīng)各具體參數(shù)如表1。

將實驗室具體的倒立擺實物進行數(shù)學(xué)建模分析，對其系統(tǒng)建立圖1 的所示的簡化建模分析圖，以便對研究對象進行模型的搭建。

圖1 環(huán)形二級倒立擺建模分析圖

表1 數(shù)學(xué)建模物理參數(shù)

此處通過常用的拉格朗日方程對研究對象進行數(shù)學(xué)模型的搭建分析。在此研究對象中，系統(tǒng)的廣義坐標為：

2.1 研究對象系統(tǒng)動能

在環(huán)形二級擺系統(tǒng)當中，系統(tǒng)動能主要涉及五部分：水平及豎直方向上的連桿（共3 個桿件）、用于測量豎直中間桿角度的編碼器及用于測量上擺桿角度的編碼器2 這五個部分的能量，其計算公式如下：

2.2 研究對象系統(tǒng)勢能

計算中選擇水平桿中心所在面為研究系統(tǒng)參照的基準勢能面，那么系統(tǒng)的總勢能主要有：編碼器1、豎直中間桿、編碼器2及豎直上擺桿這四部分的能量，表達式如下：

則系統(tǒng)總勢能：

2.3 系統(tǒng)動力學(xué)方程

根據(jù)拉格朗日方程有：

3 控制器設(shè)計

本文選取LQR 進行二級擺的控制仿真實驗。LQR 算法是現(xiàn)代控制理論里一種最優(yōu)調(diào)節(jié)控制器，其發(fā)展較早現(xiàn)在也較為成熟。LQR 控制通過一個線性控制算法，表達如下：

圖2 MATLAB 中仿真曲線圖

4 實驗驗證及結(jié)論

從圖3 實驗曲線可以看到，控制剛啟動時外在初始條件對桿件角度影響較大，但不影響實驗結(jié)果，可以看到中間桿和上擺桿都在2s 內(nèi)穩(wěn)定于平衡位置附近，整體與仿真結(jié)果一致。從仿真和實驗結(jié)果驗證了LQR 控制算法可以較好地用于環(huán)形二級倒立擺的控制。

圖3 二級擺LQR 實驗結(jié)果