基于扰动观测器的旋转倒立摆滑模控制

尤哲夫,贺 伟,李 涛

(南京信息工程大学 自动化学院,江苏 南京 210044)

倒立摆(Inverted pendulum)系统通常被认为是1个典型的非线性、强耦合、多变量、高阶和绝对不稳定系统,是进行控制理论教学和控制实验展开的理想实验平台[1-4]。其中旋转倒立摆(Rotating inverted pendulum)的控制原理,就是通过摇杆的摆动使摆杆可以尽快地到达平衡位置,并且只产生很小的振荡和理想的角速度;当摆杆达到期望的位置后,系统能克服外界因素而保持稳定[5]。在旋转倒立摆的控制过程中,可以很好地反映出非线性、鲁棒性、随动性、镇定和跟踪等问题,常被用来测试新的控制算法和控制理论是否具有较强的处理非线性和不稳定性问题的能力[6,7]。与此同时,旋转倒立摆系统的控制方法在机器人工业[8]和航空航天领域也有着广泛用途,如机器人爬楼梯姿态控制和火箭发射中的垂直度控制等。

近年来,研究人员提出了几种鲁棒控制器,用来处理旋转倒立摆中遇到的扰动和不确定性问题,例如,反馈线性化和能量补偿相结合的复合控制器[6],还有旋转倒立摆的滑模控制器[9]等。这些方法在某种程度上来说是相似的,因为都可以被认为是提供了无功干扰衰减。实验证明,很少有设计能够提供主动的干扰衰减规律,并通过前馈通道消除内部不确定性和外部扰动带来的不利影响。扰动的不确定性估计和衰减与所谓的“非活跃”抗干扰不同,它可以为采用扰动估计的系统提供较强的鲁棒性,来构造由反馈控制部分和前馈补偿部分组成的复合控制律。……