【正文】 ，把人工智能的方法引入控制系統(tǒng)，、“變論域自適應(yīng)模糊控制理論”成功地實(shí)現(xiàn)了全球首例“四級(jí)倒立擺實(shí)物系統(tǒng)控制” . 而由此項(xiàng)理論產(chǎn)生的方法和技術(shù)將在半導(dǎo)體及精密儀器加工、機(jī)器人技術(shù)、導(dǎo)彈攔截控制系統(tǒng)、航空器對(duì)接控制技術(shù)等方面具有廣闊的開(kāi)發(fā)利用前景。對(duì)倒立擺這樣的一個(gè)典型被控對(duì)象進(jìn)行研究，更重要的是實(shí)現(xiàn)其控制穩(wěn)定的過(guò)程中不斷發(fā)現(xiàn)新的控制方法，探索新的控制理論，并且可以促成相互間的有機(jī)結(jié)合。目前有關(guān)倒立擺的研究主要集中在亞洲，如中國(guó)的北京師范大學(xué)、北京航空航天大學(xué)、中國(guó)科技大學(xué)、日本的東京工業(yè)大學(xué)、東京電機(jī)大學(xué)、東京大學(xué)、韓國(guó)的釜山大學(xué)、忠南大學(xué)，此外俄羅斯的圣彼得堡大學(xué)、美國(guó)的東佛羅里達(dá)大學(xué)、俄羅斯科學(xué)院、波蘭的波茲南技術(shù)大學(xué)、雖然各種新型倒立擺不斷問(wèn)世，但是可自主研發(fā)生產(chǎn)倒立擺裝置的廠家并不多，目前國(guó)內(nèi)廠家還包跨（韓國(guó)）奧格斯科技發(fā)展有限公司和加拿大Quanser公司（FT2840型倒立擺）、保定航空技術(shù)事業(yè)有限公司，最近，鄭州微納科技有限公司的微納科技直線電機(jī)倒立擺的研制取得了成功。倒立擺的研究具有重要的工程背景：1)機(jī)器人的站立與行走類似雙倒立擺系統(tǒng)，盡管第一臺(tái)機(jī)器人在美國(guó)問(wèn)世至今已有三十年的歷史，機(jī)器人的關(guān)鍵技術(shù)——機(jī)器人的行走控制至今仍未能很好解決。2)在火箭等飛行器的飛行過(guò)程中，為了保持其正確的姿態(tài)，要不斷進(jìn)行實(shí)時(shí)控制。3)通信衛(wèi)星在預(yù)先計(jì)算好的軌道和確定的位置上運(yùn)行的同時(shí)，要保持其穩(wěn)定的姿態(tài)，使衛(wèi)星天線一直指向地球，使它的太陽(yáng)能電池板一直指向太陽(yáng).4)偵察衛(wèi)星中攝像機(jī)的輕微抖動(dòng)會(huì)對(duì)攝像的圖像質(zhì)量產(chǎn)生很大的影響，為了提高攝像的質(zhì)量，必須能自動(dòng)地保持伺服云臺(tái)的穩(wěn)定，消除震動(dòng)。5) 為防止單級(jí)火箭在拐彎時(shí)斷裂而誕生的柔性火箭(多級(jí)火箭)， ，火箭飛行控制和各類伺服云臺(tái)穩(wěn)定有很大相似性，因此對(duì)倒立擺控制機(jī)理的研究具有重要的理論和實(shí)踐意義。、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制、云模型控制和擬人智能控制等。1）模糊控制經(jīng)典的模糊控制器利用模糊集合理論將專家知識(shí)或操作人員經(jīng)驗(yàn)形成的語(yǔ)言規(guī)則直接轉(zhuǎn)化為自動(dòng)控制策略(專家模糊規(guī)則查詢表)，其設(shè)計(jì)不依靠對(duì)象精確數(shù)學(xué)模型，而是利用其語(yǔ)言知識(shí)模型進(jìn)行設(shè)計(jì)和修正控制算法. 程福雁等運(yùn)用模糊規(guī)則控制，將現(xiàn)代控制理論與模糊控制理論相結(jié)合，將成熟的現(xiàn)代控制理論用于模糊控制器中處理多變量問(wèn)題，是一種可行的方法和思路。從這些文獻(xiàn)中可以看出，常規(guī)的模糊控制器的設(shè)計(jì)方法有很大的局限性。首先難以建立一組比較完善的多維模糊控制規(guī)則。針對(duì)以上問(wèn)題，低層子系統(tǒng)的模糊控制器構(gòu)成執(zhí)行器，高層子系統(tǒng)的模糊控制器起協(xié)調(diào)作用；張乃堯等采用模糊雙閉環(huán)的方案，該模型建模方法的本質(zhì)在于：，獨(dú)立設(shè)計(jì)的模糊控制器和觀測(cè)器成功穩(wěn)定單級(jí)倒立擺。2) 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制80年代以來(lái)，神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)逐漸被運(yùn)用于倒立擺系統(tǒng)的研究。周建波等采用基于BP網(wǎng)絡(luò)的規(guī)則控制也解決了倒立擺的穩(wěn)定控制問(wèn)題。徐紅兵等提出了基于變結(jié)構(gòu)的模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制方法，實(shí)現(xiàn)了二級(jí)倒立擺系統(tǒng)的控制。神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制方法存在的主要問(wèn)題是：缺乏一種專門(mén)適用于控制問(wèn)題的動(dòng)態(tài)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，而且多層網(wǎng)絡(luò)的層數(shù)、隱層神經(jīng)元的數(shù)量、激發(fā)函數(shù)類型的選擇缺乏指導(dǎo)性原則以及如何進(jìn)行動(dòng)態(tài)網(wǎng)絡(luò)的穩(wěn)定性分析等。3) 模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制與傳統(tǒng)的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)不同，模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)中的結(jié)構(gòu)和權(quán)值有一定的物理意義，它的結(jié)構(gòu)和初始權(quán)值可根據(jù)先驗(yàn)知識(shí)人為的加以選擇。這樣網(wǎng)絡(luò)的學(xué)習(xí)速度大大加快，泛化能力增加，并在一定程度上回避了梯度優(yōu)化算法帶來(lái)的局部極小值問(wèn)題。，形成模糊控制器。試驗(yàn)結(jié)果證明這一方法的有效性和控制器較強(qiáng)的魯棒性。4) 基于遺傳算法的控制方法遺傳算法GA是一種自適應(yīng)啟發(fā)式的全局性搜索優(yōu)化方法，、魯棒性強(qiáng)，是一種隨機(jī)優(yōu)化技術(shù)。5) 擬人智能控制張明廉等運(yùn)用問(wèn)題規(guī)約原理，得到一系列的子問(wèn)題，如果能夠找到這些子問(wèn)題的解決方法，然后進(jìn)行逆向求解，很值得在其他問(wèn)題研究中加以借鑒。6) 利用云模型實(shí)現(xiàn)智能控制倒立擺用云模型實(shí)現(xiàn)智能控制倒立擺的定性控制機(jī)理，給出定性定量之間轉(zhuǎn)換的云模型的形式化表示，以反映語(yǔ)言值中蘊(yùn)涵的模糊性和隨機(jī)性，依此理論進(jìn)行智能控制倒立擺的機(jī)理探討及不確定性推理方法研究。 課題研究中面臨的問(wèn)題以及工作重點(diǎn)1）收集資料，查閱文獻(xiàn)，了解倒立擺控制系統(tǒng)的原理及模型建立方法；2）了解智能控制（模糊控制）發(fā)展的概況、特點(diǎn)及主要方法；3）進(jìn)行基于TS模糊模型的倒立擺智能控制器設(shè)計(jì)；4）運(yùn)用MATLAB語(yǔ)言進(jìn)行倒立擺模糊控制系統(tǒng)的仿真研究；5）為了對(duì)被控對(duì)象有一個(gè)充分的認(rèn)識(shí)，文中首先建立了倒立擺系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型，并在平衡點(diǎn)附近對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行了線性化處理，得到了系統(tǒng)的線性化模型；基于此模型，分析系統(tǒng)的穩(wěn)定性、能控性和能觀性；闡述了倒立擺系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)規(guī)律和各個(gè)變量之間的相互關(guān)系。6）目前已有多種控制方法實(shí)現(xiàn)了倒立擺的穩(wěn)定控制， 本文綜述了五種主要的控制方法，它們包括極點(diǎn)配置、二次型線性性能指標(biāo)最優(yōu)控制和fuzzy控制，基于上述理論方法設(shè)計(jì)了控制器，并實(shí)現(xiàn)了對(duì)倒立擺的半實(shí)物仿真，分析了它們的特點(diǎn)。倒立擺控制系統(tǒng)是一個(gè)復(fù)雜的、不穩(wěn)定的、非線性系統(tǒng)，：如非線性問(wèn)題、魯棒性問(wèn)題、鎮(zhèn)定問(wèn)題、，其控制方法在軍工、航天、機(jī)器人和一般工業(yè)過(guò)程領(lǐng)域中都有著廣泛的用途，如機(jī)器人行走過(guò)程中的平衡控制、火箭發(fā)射中的垂直度控制和衛(wèi)星飛行中的姿態(tài)控制等。倒立擺系統(tǒng)按擺桿數(shù)量的不同，可分為一級(jí)，二級(jí)，三級(jí)倒立擺等，多級(jí)擺的擺桿之間屬于自有連接（即無(wú)電動(dòng)機(jī)或其他驅(qū)動(dòng)設(shè)備）.現(xiàn)在由中國(guó)的北京師范大學(xué)李紅興教授領(lǐng)導(dǎo)的“模糊系統(tǒng)與模糊信息研究中心”。倒立擺的控制問(wèn)題就是使擺桿盡快地達(dá)到一個(gè)平衡位置，系統(tǒng)能克服隨機(jī)擾動(dòng)而保持穩(wěn)定的位置。倒立擺系統(tǒng)的輸入為小車(chē)的位移（即位置）和擺桿的傾斜角度期望值，計(jì)算機(jī)在每一個(gè)采樣周期中采集來(lái)自傳感器的小車(chē)與擺桿的實(shí)際位置信號(hào)，與期望值進(jìn)行比較后，通過(guò)控制算法得到控制量，擺桿的一端安裝在小車(chē)上，使桿繞小車(chē)上的軸在豎直平面內(nèi)旋轉(zhuǎn)，擺桿處于垂直的穩(wěn)定的平衡位置（豎直向下）.為了使桿子擺動(dòng)或者達(dá)到豎直向上的穩(wěn)定，需要給小車(chē)一個(gè)控制力，使其在軌道上被往前或朝后拉動(dòng)。 單級(jí)倒立擺的數(shù)學(xué)建模在忽略了空氣阻力、各種摩擦之后,可將單級(jí)倒立擺系統(tǒng)抽象成小車(chē)和勻質(zhì)桿組成的系統(tǒng)。，有關(guān)倒立擺的參數(shù)符號(hào)、數(shù)值及含義如表1. 單級(jí)倒立擺系統(tǒng)物理模型采用牛頓動(dòng)力學(xué)方法可建立單級(jí)倒立擺系統(tǒng)的微分方程如下：倒立擺的平衡是使倒立擺的擺桿垂直于水平方向倒立,所以假設(shè), 為足夠小的角度, 即可近似處理得:。用u來(lái)代表被控對(duì)象的輸入力F, 線性化后兩個(gè)方程如下：表 一 參數(shù)符號(hào)數(shù)值及含義符號(hào)數(shù)值含義M小車(chē)質(zhì)量m擺桿質(zhì)量b小車(chē)摩擦系數(shù)l擺桿轉(zhuǎn)動(dòng)軸心到桿質(zhì)心的距離I擺桿轉(zhuǎn)動(dòng)慣量F加在小車(chē)上的力x小車(chē)位移擺桿與垂直向上方向的夾角擺桿與垂直向下方向的夾角如果取狀態(tài)變量為:即擺桿的角度和角速度以及小車(chē)的位移和速度四個(gè)狀態(tài)變量。則系統(tǒng)的狀態(tài)方程為：將上式寫(xiě)成向量和矩陣的形式,就成為線性系統(tǒng)的狀態(tài)方程：將倒立擺的參數(shù)代入,則有：，. 系統(tǒng)傳遞函數(shù)的推導(dǎo)對(duì)方程組進(jìn)行拉普拉斯變換，得到： （1）推倒傳遞函數(shù)時(shí)假設(shè)初始條件為 0.由于輸出為角度，求解方程組可以得到： （2）整理后得到傳遞函數(shù)： （3）其中：.3現(xiàn)代控制理論在倒立擺平臺(tái)上的應(yīng)用3．1 基于倒立擺的PID控制器設(shè)計(jì)分析 PID控