隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，控制理論及相關(guān)問題在工程領(lǐng)域中的應(yīng)用更加廣泛。控制理論的發(fā)展需要一個典型的對象來驗(yàn)證某一種理論的正確性以及實(shí)際效果。倒立擺系統(tǒng)的穩(wěn)定控制是非線性動態(tài)控制系統(tǒng)中的經(jīng)典問題，控制理論中的許多經(jīng)典問題都可以在倒立擺系統(tǒng)的研究中反映出來，如非線性、不穩(wěn)定、欠驅(qū)動、強(qiáng)耦合性等。倒立擺是一個典型的非線性、多變量、強(qiáng)耦合、高階次的不穩(wěn)定系統(tǒng)，被眾多高校及實(shí)驗(yàn)室用于控制理論的研究與控制算法的驗(yàn)證。倒立擺系統(tǒng)可以很好地檢驗(yàn)各種控制算法的穩(wěn)定性和能控性，具有深遠(yuǎn)的研究意義。

       倒立擺的起擺穩(wěn)擺控制算法，也被廣泛應(yīng)用于各種龐大復(fù)雜的控制工程的設(shè)計(jì)開發(fā)中。一方面，與控制理論相關(guān)的專業(yè)問題，如系統(tǒng)魯棒性、能控性、穩(wěn)定性等特性都可以通過倒立擺平臺直觀展示，對于實(shí)驗(yàn)教學(xué)有著重大意義。另一方面，經(jīng)倒立擺驗(yàn)證的各種控制理論同樣適用于平衡車、無人機(jī)等的平衡控制。倒立擺系統(tǒng)的研究包攬著多個學(xué)科共同探究的問題，并且在航空航天、軍事、工業(yè)工程領(lǐng)域具有重大的實(shí)踐意義。

       由于被控對象的結(jié)構(gòu)越來越復(fù)雜，從而衍生出多種類型的倒立擺，如直線倒立擺、旋轉(zhuǎn)倒立擺、球形倒立擺等。為了便于控制理論和技術(shù)的應(yīng)用研究，本課程將直線電機(jī)倒立擺作為實(shí)驗(yàn)平臺，來驗(yàn)證倒立擺系統(tǒng)的性能指標(biāo)。

課程及平臺介紹

       相比于其他復(fù)雜或者危險(xiǎn)性更高的平臺，倒立擺實(shí)驗(yàn)平臺搭建起來更加簡單，安全性更高，各種復(fù)雜的控制理論基本都可以在倒立擺平臺中得以驗(yàn)證，作為驗(yàn)證算法的平臺具有很大優(yōu)勢。

課程內(nèi)容

直線電機(jī)倒立擺系統(tǒng)介紹

直線電機(jī)倒立擺的建模

直線電機(jī)倒立擺LQR算法設(shè)計(jì)

直線電機(jī)倒立擺Animation仿真控制

直線電機(jī)倒立擺HIL仿真控制

直線電機(jī)倒立擺的實(shí)時(shí)控制

· 人工智能、機(jī)器人、自動化、控制工程、機(jī)械電子、智能制造等專業(yè)的全國高校教師、研究生

· 幫助控制領(lǐng)域相關(guān)企業(yè)技術(shù)負(fù)責(zé)人/工程師，掌握先進(jìn)開發(fā)方法，提升項(xiàng)目開發(fā)效率

· 幫助科研院所的科研人員、教師拓寬科研領(lǐng)域，提高科研成果轉(zhuǎn)化率

· 幫助學(xué)生積累項(xiàng)目實(shí)戰(zhàn)經(jīng)驗(yàn)

課程特點(diǎn)

      本課程主要基于MATLAB、CSPACE控制系統(tǒng)、介紹一級倒立擺的建模、仿真與實(shí)時(shí)控制。直線電機(jī)一級倒立擺平臺主要由直線電機(jī)，角度編碼器，位移編碼器，擺桿機(jī)構(gòu)，cSPACE控制系統(tǒng)和上位機(jī)組成。平臺融合了多種傳感器數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)分析以及智能控制于一體。

· 對于直線電機(jī)一級倒立擺，首先簡化物理模型，然后詳細(xì)介紹數(shù)學(xué)建模，近似線性處理，最后通過MATLAB直接得到一級倒立擺系統(tǒng)的狀態(tài)空間方程。

· 對倒立擺系統(tǒng)進(jìn)行穩(wěn)定性分析，驗(yàn)證了一級倒立擺系統(tǒng)的能控性和能觀性。

· 最后，設(shè)計(jì)LQR控制算法，選擇不同的Q矩陣和R矩陣，將LQR控制算法部署到cSPACE控制系統(tǒng)中，CSPACE控制系統(tǒng)通過傳感器獲取倒立擺的狀態(tài)，串口通信接受四個狀態(tài)值，執(zhí)行LQR算法，完成一級倒立擺的實(shí)時(shí)控制。

· 除此之外，本課程還提供了很多種工具的使用方法（如Matlab Coder、Simulink、倒立擺工具箱），以及如何聯(lián)合不同的工具進(jìn)行仿真建模，如MATLAB與cSPACE控制系統(tǒng)通過串口通信等。

       期望大家通過對本課程的學(xué)習(xí)，能掌握直線電機(jī)一級倒立擺的建模、仿真與控制的開發(fā)，以及了解Simulink/Simscape、串口通信及其他各種工具的使用及開發(fā)，進(jìn)而自主使用不同的仿真工具聯(lián)合創(chuàng)新開發(fā)，熟練掌握LQR最優(yōu)控制、simulink等相關(guān)算法。

       本課程的獨(dú)特之處在于有多位資深科研人員和工程師參與課程研發(fā)與講課，除了提供更專業(yè)的課程、在線答疑，同時(shí)還提供開源的實(shí)驗(yàn)平臺。除了本課程所講述的實(shí)驗(yàn)案例之外，我們的新版倒立擺平臺新增了智能控制領(lǐng)域的控制算法，如模糊控制、滑?？刂坪虰P神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制等。對于想深入研究的學(xué)員，歡迎到深谷學(xué)院實(shí)地考察交流。

精彩內(nèi)容

       利用牛頓方程建立直線電機(jī)一級倒立擺的數(shù)學(xué)模型，得到倒立擺系統(tǒng)的狀態(tài)空間方程；然后針對倒立擺系統(tǒng)設(shè)計(jì)LQR控制器，并在MATLAB/Simulink中搭建系統(tǒng)控制器仿真模型，觀察Q矩陣和R矩陣的不同取值對倒立擺性能的影響。通過仿真結(jié)果得到提高Q矩陣對應(yīng)變量值可以提高系統(tǒng)響應(yīng)速度，提高R矩陣值可以減少系統(tǒng)能量損失；然后通過串口通信將LQR控制算法應(yīng)用到倒立擺實(shí)體模型中，進(jìn)行一級倒立擺的穩(wěn)擺實(shí)時(shí)控制實(shí)驗(yàn)。相比于傳統(tǒng)控制方法，直線電機(jī)一級倒立擺實(shí)驗(yàn)平臺采用的LQR最優(yōu)控制方法在實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定控制的快速性、減小超調(diào)量以及抗干擾能力方面均有較高的優(yōu)越性。