【摘 要】
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不稳定系统的控制问题在国家的军事及工业发展中占有很重要的位置,因此不稳定系统控制算法的研究便至关重要。而常见的不稳定系统因其自身的不稳定特性使得系统极易遭受损坏,不适宜直接在平台上进行控制算法的验证实验,故采用体积小且整体结构简单的倒立摆控制系统来探究不稳定系统控制算法。不稳定系统通常采用传统的PID控制策略,虽然不稳定的被控对象可以被传统的PID控制器控制,但是由于不稳定系统在复平面右侧存在不稳
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不稳定系统的控制问题在国家的军事及工业发展中占有很重要的位置,因此不稳定系统控制算法的研究便至关重要。而常见的不稳定系统因其自身的不稳定特性使得系统极易遭受损坏,不适宜直接在平台上进行控制算法的验证实验,故采用体积小且整体结构简单的倒立摆控制系统来探究不稳定系统控制算法。不稳定系统通常采用传统的PID控制策略,虽然不稳定的被控对象可以被传统的PID控制器控制,但是由于不稳定系统在复平面右侧存在不稳定极点、整数阶有限的参数选择、不易调节的控制滞后以及系统模型提取不准确等特性,均使得传统的PID控制策略在对不稳定系统进行控制上不能运用自如。自抗扰控制策略自提出后便被广泛应用于控制系统中,因其自有的扰动抑制特性以及信号解耦性,使得其在各种系统上的控制效果比较理想。本文的主要工作内容如下:（1）首先,对于传统整数阶的自抗扰控制算法进行了函数和模块分析,在分析结果的基础上对其各部块功能进行改进。详细叙述了改进后的自抗扰控制算法的设计方法及其参数整定过程,并对改进后的自抗扰控制器进行了不同输入以及干扰信号作用下的仿真验证,证实了改进后的自抗扰控制器较传统的自抗扰控制器在性能上有较大提升。（2）其次,在改进后的自抗扰控制算法的基础上,提出了一种改进型分数阶自抗扰控制算法。将分数阶微积分算子引入改进型整数阶自抗扰控制器的跟踪微分器、扩张状态观测器以及非线性误差反馈控制律中。进行仿真实验,仿真结果验证了改进后的整数阶自抗扰控制器和分数阶自抗扰控制器的性能均比传统的整数阶自抗扰控制器的性能更佳,两个控制器的性能在很大程度上得到了提高,其中分数阶自抗扰控制器在整体设计和应用中表现最优。（3）最后,采用单级旋转倒立摆系统对本文提出的控制算法的应用验证实验。对于单级旋转倒立摆控制系统,先进行起摆控制器的设计;然后进行稳摆控制器的设计。本文采用两个独立的闭环控制结构来对两个角度进行控制,基于传统的自抗扰控制算法、改进后的整数阶自抗扰控制算法以及分数阶自抗扰控制算法三种控制策略进行仿真实验并对比结果。最后,将上述设计的控制器应用在单级旋转倒立摆平台中。实验结果显示,分数阶自抗扰控制器在仿真及实验中的控制性能最佳。
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