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环形二级倒立摆大回环运动的仿人智能控制

肖琳  
【摘要】: 倒立摆系统以其非线性、多变量、强耦合和欠驱动的特性成为检验控制理论和策略的正确性、有效性和实时控制的应用问题的有效平台。目前,针对倒立摆系统的研究主要有三个方向,以二级倒立摆为例:稳摆控制、摆起倒立控制和平衡状态的任意切换控制。稳摆控制是使倒立摆稳定在垂直向上的位置;摆起倒立控制是使倒立摆的摆杆由初始垂直向下的状态运动到垂直向上的位置并保持摆杆稳定;平衡状态的任意切换控制是使倒立摆的摆杆能够由一个平衡态运动到另外一个平衡态并保持稳定。本文所研究的环形二级倒立摆则属于第三类控制问题。 环形二级倒立摆大回环运动控制包括两种姿态的回环运动:Up-Up和Up-Down,既环形二级倒立摆两摆杆初始稳定的位置(Up-Up, Up-Down)开始,控制旋臂水平来回的旋转运动实现两自由摆杆同时以准直线(Up-Up)或者拟单摆(Up-Down)的方式绕旋臂一周,再回到垂直向上位置(Up-Up, Up-Down)并稳定。 本文首先建立到环形二级倒立摆系统的物理模型和数学描述,并基于实物实验平台采用改进的遗传算法对模型进行了参数的辨识,建立了仿真实验平台。在仿真实验平台上对环形二级倒立摆的大回环运动控制过程进行分析,在基于动觉智能图式的仿人智能控制理论的指导下,将环形二级倒立摆的大回环运动过程划分为四个控制阶段,Up-Up大回环运动控制包括下落姿态整定阶段、耗散能量补偿阶段、摆起姿态整定阶段和倒立稳摆阶段,而Up-Down大回环运动控制包括初始运动阶段、姿态校正阶段、能量耗散阶段和稳定控制阶段。分别对四个阶段的切换边界条件进行规划设计,设计出能控制该过程的控制律(动觉智能图式),动觉智能图式包括了分别控制上述各阶段的感知图式(特征模型)和相应的运动图式(控制模态)。仿真实验和实际物理装置的实时控制成功验证该控制方法是行之有效的。


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