倒立摆系统的发展研究以及意义

倒立摆系统的发展研究以及意义

摘 要：随着工业、农业、交通运输和国防等各个方面不断发展，这些方面都离不开较高的控制性能，自动控制就有了很大的应用舞台。从二十世纪五十年代到现在，人们对倒立摆的研究不断加深，是研究控制理论的一种实验设备，它具有高阶次、强耦合、非线性、多变量、不稳定等特点的系统，倒立摆系统已经由一级发展到了多级，控制手段也是多种多样。并且倒立摆还具有结构简单，价格低廉等优点，更是被人们应用和推广在很多领域。 本文主要是对倒立摆的研究现状及其意义做简单介绍。

关键词：倒立摆；发展现状；研究意义

1 倒立摆研究的背景

随着控制理论、计算机技术、以及信息技术的飞速发展很多新的理论和控制算法不断地出现倒立摆系统逐渐被人们用来检验控制方法的有效性。通过人们的不断研究拓展，倒立摆系统已经由一级发展到了二级、三级、四级乃至更多级，并且产生了平面倒立摆、平行倒立摆、环形倒立摆等多样式倒立摆，其控制手段也是多种多样的。由于其结构简单，价格低廉，物理结构和参数容易调整等特点，在工业和航天业中的控制系统中倒立摆系统有很大的应用舞台，对倒立摆系统理论的研究都有着深远的意义，是人们生活、学习、以及对于控制方法和理论的验证具有非常大的意义。

任何理论的研究都是为了适应现实的需要，倒立摆系统也是一样，它的理论研究具有很重要的工业、军事和经济背景。尽管在三十年前在美国已经问世了第一台机器人，但是机器人的行走控制技术至今还未很好的解决，它的站立和行走正是类似于双倒立摆系统；同时对火箭、卫星等飞行器的姿态的控制、用消除震动来提高侦察卫星皮摄图片的质量，也是应用倒立摆系统；还有进来在人们生活中广泛应用的时尚的电动平衡车的原理也是类似倒立摆系统；亦或是为防止单级火箭在拐弯时断裂而诞生的柔性火箭（多级火箭）， 其飞行姿态的控制也可以用多级倒立摆系统进行研究。由于倒立摆系统在军工、航天、机器人领域和一般工业过程中中具有重要的应用作用，所以对于倒立摆的研究具有非常大的价值。

2 倒立摆的研究在国内外的发展情况

世界范围内对于倒立摆的研究主要集中在倒立摆系统的稳定控制的研究和倒立摆系统的自起摆控制研究。两者相比前者研究成果更为显著一些。

2.1 我国研究倒立摆系统的发展情况

在一九六零年以后我国的科学家就已经针对倒立摆系统进行研究。在八十年代我国研究倒立摆的主要集中在高级院校，中国的北京师范大学、北京航空航天大学[1]以及中国科技大学[2]成为我国研究倒立摆系统的主要阵地，目前，我国

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