[发明专利]旋转二级倒立摆的平衡控制方法、系统及存储介质

说明书

本发明涉及倒立摆控制实验技术领域，特别是一种旋转二级倒立摆的平衡控制方法、系统及存储介质。根据当前旋转二级倒立摆的当前总能量，以及两根摆杆的当前旋向，判断是否进行起摆控制；再根据起摆控制模型控制中心转动主杆转动，以实现两根摆杆起摆；最后，根据稳摆控制模型控制两根摆杆，以实现稳摆。本发明通过起摆控制模型、稳摆控制模型实现了旋转二级倒立摆的起摆和稳摆控制，起摆与稳摆过渡过程也能平稳切换，控制逻辑简单易于实现，控制稳定性强。同时，针对旋转二级摆的特殊的起摆条件进行进一步分析，两根摆杆在不同状态下，均给出了具体起摆控制方法。

技术领域

本发明涉及倒立摆控制实验技术领域，特别是一种旋转二级倒立摆的平衡控制方法、系统及存储介质。

背景技术

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。

目前，对倒立摆的研究更多的朝向二级、三级、四级乃至更多级的复杂化方向进行，针对旋转倒立摆的研究较少。在CN218384311U中公开了一件名为“环形倒立摆实验装置”的实用新型专利，但它仅提供了实现旋转倒立摆的机械结构，并未公开具体的控制方法。

发明内容

本发明的第一个目的就是提供一种旋转二级倒立摆的平衡控制方法，它可以控制旋转二级倒立摆起罢和稳摆。

本发明的第一个目的是通过这样的技术方案实现的，所述旋转二级倒立摆包括有中心转动主杆和两根分别位于中心转动主动两侧的摆杆，两根摆杆可跟随中心转动主杆的转动倒立起摆并保持平衡稳摆，具体控制方法如下：

针对旋转二级倒立摆建立起摆控制模型和稳摆控制模型；

根据起摆控制模型控制中心转动主杆转动，以实现两根摆杆起摆；

起摆后，根据稳摆控制模型控制两根摆杆，以实现稳摆。

该设计的优点在于，本发明通过起摆控制模型、稳摆控制模型实现了旋转二级倒立摆的起摆和稳摆控制，起摆与稳摆过渡过程也能平稳切换，控制逻辑简单易于实现，控制稳定性强。

进一步，在控制中心转动主杆转动，以实现两根摆杆起摆之前，还包括有以下步骤：

计算当前旋转二级倒立摆的当前总能量，判断当前总能量是否超出起摆能量阈值；

若未超出起摆能量阈值，采用起摆控制模型控制中心转动主杆转动，以实现两根摆杆起摆；

若超出起摆能量阈值，则对两根摆杆进行旋向判断：

若两根摆杆旋向相反，对两根摆杆进行同时能量衰减控制，直至衰减至起摆阈值内，再采用起摆控制模型控制中心转动主杆转动，以实现两根摆杆起摆；