只能用**来形容了！

2万 · 2008-5-27 16:15

倒立摆是一个非线性、不稳定系统,经常作为研究比较不同控制方法的典型例子。图3.3是倒立摆的示意图。

　

图3.3

图3.3中，为杆与垂线的夹角（°），为作用力（N）,杆的质量kg，杆和小车的总质量kg,半杆长m，重力加速度m/s2,采样周期s。倒立摆的数学模型为

我们可以实时测量角度（°），并计算出角速度°/s），控制的任务是产生合适的作用力，并使倒立摆保持直立状态。

2万 · 2008-5-27 16:35

http://v.ku6.com/show/I9sVc29kvtsdrlaK.html

2万 · 2008-5-27 16:37

http://v.ku6.com/show/Vx9Gu03hXeCvFZxY.html
http://v.ku6.com/show/n8unvlPmo5esA6l6.html
http://v.ku6.com/show/wSScxFEdX7rfD14c.html

只看该作者 · 2008-5-27 23:00

用状态空间(state space) 表述，在matlab/simulink 下仿真。时隔多年，早已忘怀。看楼主的公式，似乎是从时域推导出来，时域的表述比 s 域难很多，期望能继续

只看该作者 · 2008-5-27 23:24

只看该作者 · 2008-5-27 23:32

之前在21IC主页看到一篇**介绍某位高人的自传，说得就是四级倒立摆，很强大

3万 · 2008-5-28 00:16

只看该作者 · 2008-5-28 00:20

呵呵，外行看个热闹

只看该作者 · 2008-5-28 13:14

只看该作者 · 2008-5-28 13:27

只看该作者 · 2008-5-28 14:49

只看该作者 · 2008-5-28 15:03

一个三流大学研究生的高科技创业梦想

一：学习、工作历程
　　1997从湖南来到兰州，来到甘肃工业大学、这个偏僻西北很普通的三流工科学校读本科，九年过去。自动化本科毕业后，因为喜欢大海，就和朋友一起去了大连，在一个国有企业的研究所搞传动系统设计/研发工作，工作就是在已有的图纸基础上照葫芦画瓢，根据用户要求稍作作改动，使用的产品基本上就是西门子/ABB这样全球大企业的产品。这样的工作与研发、创新没有多大关系。当看到那些核心的产品：变频电机，PLC，变频器要从国外进口时，当看到一个大型的变频器比一辆高档进口轿车还贵，而我们能做的只是生产一个钢铁外壳加上一些电缆时，我很震惊，就想，中国电子产业，制造产业都去那里了？
　　
    2002年8月，工作了一年多，干了5、6个订单，很累，我实在不想做这样的工作了，觉得尽是重复，还很繁琐。我思考我该去做什么，我就想到了考研，说实话，我从来没有想过我要去考研，我就觉得我因该去做实际的事情，我的脑子也不笨，没有什么事情可以难倒我的。但是现在我觉得我因该提高自己，在理论上提高自己。我觉得我们不能只知道怎样使用工具，这样我们永远只能是一个体力劳动者，我们还要知道制造工具的原理，这样我们才能生产出新工具来，让别人去使用，我们才能引领生产力的发展方向，或者至少在某一个方向是这样。不然，我们永远是体力劳动者，让别人交给我们劳动工具，告诉怎样去劳动，而他们只要在高高的技术壁垒保护下偶尔产生一下灵感的火花就足以模糊我们的心智。说实话，我非常喜欢我的自动化专业，我于是决定去考北航的控制理论与控制工程的研究生。当时我很穷，第一年每个月只有一千块钱，又欠别人的钱，我几乎没有什么钱买什么参考书，课本也是借的，就做课本上的题。向同学借一些复习资料。由于还要工作，没有时间复习，只能晚上复习，真是很苦，四个月后，2003年1月，我参加了考试，只考了295分，没办法，本来就没学好。不过总分已经超过了国家 A类线20分，但是北航是自定分数线，他们定了300分。我没有考上，只好又调剂到了我的母校：甘肃工业大学。此时我决定好好学习三年，不能再像本科那样把不在乎，荒废了学业。
　　
　　 2003年我们那一届研究生有些幸运，那一年，我们电信学院与清华大学搞了一个教学项目，学校为提高青年教师的水平办了一个所谓的“清华班”，由清华大学自动化系的教授上研究生课，我们研究生也当然的成为授课的对象，当时，《线性系统理论》由郑大钟教授讲，《系统辨识》由肖德云教授讲，《神经网络与模糊控制》由张乃饶教授讲，他们都是教材的作者，教学之认真若非亲历很难想象，《鲁棒控制》由钟宜生教授讲，《故障诊断和容错》由叶昊老师讲，《现场总线》由阳宪惠教授讲，她还是我的老乡呢。因为是集中时间授课，授课时间短，每门课程都在两周左右的时间结束，那个时候每天上午、下午甚至晚上都排满了课程，说实话，当时在课堂上不可能搞懂，但是课程讲完后有很多的自学时间，留了很多的作业和实验，可以慢慢的去消化，去做作业和做实验，几乎每天晚上都要学到11点多，10点钟前在教室自习，10点后回到宿舍作仿真试验，写算法，很多算法不允许使用Matlab的工具箱函数，例如：系统辨识要自己写各种最小二乘递推算法，模糊控制和神经网络也要改变结构和参数、控制器脱离工具箱函数。在本科时主要使用TC编程，接触过Matlab，当时不懂，就觉得很厉害。通过“清华班”的高强度学习，以及数学基础课、其他专业基础课如《最优控制》的学习后，我开始慢慢觉得我的能力有了提高，对本学科的总体认识能力，对学科问题的产生、问题的提出、问题的解决方法都有了一定的认识，特别是《线性系统理论》，700页的书，从第一页到最后一页，我在三年中认真看了不下三遍（利用假期），上面几乎所有公式我都推过，几乎所有的的题我都做了，大部分可以仿真的例子我也作了实验。这本书很多部分内容都与chi-Tsong Chen（纽约州立大学石溪分校教授）写的《Linear SystemTheory and Design》这本书相关，这或许与郑大钟教授在纽约州立大学石溪分校做过访问学者有关系。这本书中也有些缺陷，有些问题没有说清楚，还有些书写上的错误（因为公式非常多），例如：状态反馈输出调节器的综合就没有讲清楚，这使我觉得需要学习更为深入的内容，由上面提到的问题，我选择了著名控制论专家Wonham（旺纳姆）教授的书《线性多变量控制—一种几何方法》，这本书的难度很大，很难读，用的是抽象的几何空间的方法，需要精通线性代数、抽象代数。这种抽象的好处就是很方便的给出问题的综合方法。在一个重要问题：输出调节综合上，这本书写得很清晰，但非常难懂，书中给出的参考文献特别是Francis教授及其与Wonham教授（他们都是多伦多大学的教授）合作写的几篇**无法得到，我于是给Francis教授写了一封信，一天后，教授给了我回信和**。这让我震惊，国外的教授与国内（大陆）的某些教授真是两样! 后来根据这本书和一些论文，我把《线性系统理论》中没有讲清楚的几个问题整理了清楚。
　　
　　在研究生的第一学期结束的时候，也就是2004年初，我无意看到了一篇发表在《中国科学》上的**：《四级倒立摆的变论域自适应模糊控制》，作者李洪兴教授，这是全世界首次实现四级倒立摆控制这个极为困难的控制难题，这一成果将在一般和尖端领域有着极为广阔的应用。这个这篇**勾起了我很大的兴趣。第二学期期末的时候，我的Matlab水平有了很大的提高，我决定试一试，仿照**做一下仿真，然而真正做起来后遇到了很多困难，毕竟根据一篇**来做仿真还是有难度的，系统和控制器都很复杂，我花了近两个星期的时间搭建倒立摆的Simulink 模型，每天要工作10个小时以上，大量繁琐的参数计算。我又花了一个多星期设计模糊控制器，因为那是一个自适应模糊控制器，要设计一个完全脱离工具箱的模糊控制器，就要首先生成一个基本模糊控制器，再填入具体参数，再改进控制器结构，最后生成一个模块。当一切都做好后，仿真结果却不对，我很受打击，每天都反复作仿真，反复修改，晚上在回宿舍的路上冥思苦想到底问题在哪里，突然有一天仿真结果出来了，和论文中的一样！那一刻我真是高兴极了！这样的**才叫真正的**！接下来我休息了一个星期，我又有了一个想法，我想，是否能够用硬件去做一下模糊控制器的实现？首先我想到，对于倒立摆这样复杂的控制对象，对于这样复杂的控制器设计，什么样的硬件才能满足要求？单片机肯定不行，一是运算速度不够，二是要写出这样复杂的控制器C算法难度太大，耗时太长。我决定使用高性能DSP（数字信号处理器），我选择了TI（德州仪器）的开发套件：TMS320C6000 ，其最强的C6713DSP芯片，具有每秒13.5亿次的浮点运算能力。使用这个开发板的最大好处就是可以和Matlab结合，使用Matlab 的集成工具，直接由仿真的Simulink模型生成DSP芯片的可执行代码！使得控制器硬件代码生成过程简化。但是这个过程说起来容易做起来难，如此复杂的控制器能否顺利生成代码？也是一个大问题。经历很多次的失败，终于生成了无错误的DSP 代码，Matlab再次显示了它的强大，它让人佩服。代码的生成是重要的一步，下一步要证明代码是否能正确运行，由于没有四级倒立摆可供使用，试验就不可能做成一个闭环控制系统，因此只能做开环试验：即首先由Matlab仿真得到数据，保存起来，然后使用RTDX（实时数据交换）技术，以一定的频率从计算机向DSP传送仿真时的输入数据，DSP的控制器代码处理输入数据，得到一个控制器输出数据，比较控制器的输出数据和仿真时的输出数据，看两者结果是否相同，这样就可以验证在一定采样频率下控制器DSP硬件实现的可行性。我分别作了采样周期为0.01秒和0.001秒的试验，在0.01秒采样周期实验时，得到的结果和仿真数据完全一样，在0.001秒采样周期实验时，得到的结果和仿真数据至少在小数点10位后面是一样的，结果令人惊讶，这说明：一，DSP的控制器代码生成是正确的！二，在很高的采样频率下（对于控制系统来说，0.01和0.001是很高的采样周期），DSP能以很高的精度来完成模糊控制器硬件实现。这说明，在可行性上，控制器的DSP实现是没有问题的，甚至是一个相对简单、流程化，真实控制效果更好的一种实现方法。当然要在实际中可用，还有很多的工作要做。在完成了以上的工作后，我决定再做一下三级、五级倒立摆以及柔性连接倒立摆的仿真实验，当然在方法上没有什么改进，最终我也完成了这样的实验。在2005的《控制与决策》杂志上，发表了罗成等人的关于五级倒立摆仿真的**《基于LQR和模糊插值的五级倒立摆控制》，总体上来讲，这篇**没有什么大的新意。
　　
　　完成上述的实验后，我再也没有做有关倒立摆控制方面的东西，2005初年的时候，导师申请了教育部春晖计划的一个项目，做长输管道（特别是天然气）泄漏检测与定位系统研究和开发，我开始做软件系统的开发，导师只有两个研究生，另一个是女的，我只有一个人做开发，当时不懂c++,不会使用VC++6.0，只在本科时候写过C算法和汇编，都忘得差不多了。我直接从C++学起，同时开始使用VC++6.0，自己捉摸，首先我在一个多月内把一本C++ 的书看完，把书上大部分例子的程序调试完。这个过程也熟悉了VC++6.0编译器的使用，接下来要做两部分：一，算法开发，二，软件界面开发。算法包括：小波分析算法，SPRT（优化序列分析）算法，这是最主要的两个算法。软件界面设计也很重要，你要从使用者的角度来看问题，要把一切复杂工作隐藏起来，只提供一个简单方便的用户界面。事实上，做实际工作与搞理论研究是非常不一样的，实际遇到的问题何其之多，每天要工作10多个小时，一个人做太孤单，又没有人可帮助，一个问题好几天，甚至好几星期不能解决，那种感觉会无比沮丧，信心受尽打击，如果没有坚强的意志是不可能**下去的，看MSDN太慢，有什么问题我就在网上找，或是在CSDN社区里面向高手提问，其间酸甜苦辣经历真是一言难尽。最终我完成了算法和软件界面的开发并结合了二者。多线程的问题由于没有时间和非常繁琐而没有去做，但是多线程很重要。在这期间，不写程序的时候就看数学书，看控制理论方面的书，那是我的兴趣所在，下面是三年中所看的主要书籍，看这些书耗费我三年中所有的时间。
　　
    主修课程：矩阵理论、泛函分析、随机过程、线性系统理论、最优控制、鲁棒控制，数字信号处理、时频分析、系统辩识、故障诊断与容错控制。
　　
　　自学课程：线性代数、高等代数、抽象代数、微分几何、非线性控制系统理论（Isidori）、线性多变量控制（Wonham）、小波分析。C++，VC++程序设计。
　　
　　课外阅读：数学史，世界百名数学家传记等。
　　
　　在刚开始上学的时候，我就决定，研究生不读完我不找工作，我要好好利用这三年的时间学习，静下来看自己喜欢的书，作自己喜欢的事。快毕业时，我给北京恒润科技有限公司（做国外专业软件如Matlab的代理和电气、电子、军工产品方面的技术咨询、研发），给深圳固高科技（做运动控制系统开发，如倒立摆）发了简历，但是没有得他们的理睬。这让我有些失望，甚至生气，我就想，为什么要让别人来招聘我？我为什不自己成立一个公司？可是，如果成立公司，我们该做什么产品？能不能做？产品有没有市场？还有将来的发展前景怎样？这些都是问题。这个时候，我突然想到了我曾经做过的有关倒立摆的工作，在2005年，我的导师主管的先进控制实验室购买过固高的两台直线二级倒立摆，由于我那个时候在做软件开发，对倒立摆已经没有了什么兴趣，可是这个时候，我觉得我想做倒立摆的产品，我能够做倒立摆产品。
　　
　　一个星期以来，我在实验室深入了解了倒立摆设备，它的硬件配置，硬件选型，软件设计，控制算法设计。我又查阅了大量的网络资料，了解倒立摆的产品市场现状，产品价格，生产厂家供货和现状，。我又查阅了这两年来有关倒立摆控制发展方面的论文，加上我以前看过的论文，了解了新的控制算法实现现状。我又思考倒立摆设备将来的发展，将来的需求，经过长时间的深入思考，我觉得做倒立摆方面的产品开发是可行的。我开始制定一个创业计划书。一个以生产教学科研仪器：倒立摆，开始的创业计划。
　　
　　二，创业计划分析
　　一：现阶段的倒立摆产品市场（以直线型倒立摆为例）
　　公司1：上海宝徕科技开发有限公司
　　产品类型：一级倒立摆、二级倒立摆
　　主要组成模块：IP02，摆体模块，编码器，伺服电机，数据采集卡，功率驱动模块
　　制造厂家：加拿大Quanser（宽射）
　　公司评价：公司没有开发倒立摆系统的能力，高性能产品代理国外。有自己的一系列国产化产品，但技术，产品都很一般。
　　公司2：深圳固高科技有限公司
　　主要组成模块：摆体模块，编码器，伺服电机，控制器板卡模块，功率驱动模块
　　产品类型：一到四级倒立摆
　　制造厂家：运动控制板卡由固高公司自己开发，外围组件模块购买国外产品
　　公司评价：是目前国内自动化实验、教学、应用产品的研发、生产能力最强的公司，公司知名度高，产品丰富，功能多。主要供应一、二级倒立摆，三、四级倒立摆生产和需求现状不清楚。
　　公司3：深圳科莱德公司
　　产品类型：一级、二级、多级倒立摆
　　制造厂家：国外
　　公司评价：此公司没有研发能力，没有自主产品，只在公司网页上说明提供倒立摆产品，未见实物图片。
　　
　　二，倒立摆产品的市场需求分析
　　1，倒立摆是自控专业的经典实验设备之一，随着高校规模的扩大，地方性大学，专科学校的升级，专业性学校向综合发展，工科专业的增多，大量学校有配置实验设备的需要。
　　2，在已有的工科院校中，由于本科生/研究生人数的扩招。学校在增添新实验室，增加实验项目，提高实验设备水平上有需求。
　　3，高端倒立摆，如三级、四级、柔性连接，平面倒立摆的生产，控制算法的开发是倒立摆的发展方向，也是高校，研究所的需求方向。
　　4．倒立摆产品目前还不是一个竞争市场，很少的制造厂家，高端产品尤其少，很多的硬件和算法实现难度较大，还在实验室阶段，因而没有批量生产和需求能力，因而加快算法开发很重要。
　　
　　三，倒立摆产品开发的技术可行性分析
　　硬件方面：外围设备如伺服电机、摆体、传感器有成熟的国外产品可供选用。在控制器硬件设计方面，可自主开发，也可与硬件供应商（如合众达）合作开发符合特定要求的硬件设计，这方面不存在问题。
　　软件方面：以强大的Matlab软件为基础，可实现基于多种算法开发的一整套解决方案。也可根据控制器硬件的不同（如选用单片机）开发自主控制软件。这方面是可行的。
　　算法开发方面：这是最核心的部分，开发能控制高端倒立摆的控制算法，如模糊控制，先进模糊控制，神经网络、变结构控制算法。以优秀的国内外研究论文为基础，依靠优秀的研究、开发人才，去实现这些算法。
　　目前的基础是：基于变论域自适应模糊控制的直线三级、四级倒立摆已经成功实现了仿真研　究，成功完成了控制器DSP硬件实现的可行性初步论证研究，完成了直线五级倒立摆的仿真研究。
　　人才需求：需要各方面的优秀人才，综合性人才，例如：有很好的数学、控制理论基础，有很好的Matlab仿真研究能力，懂嵌入式C算法开发，有可视化应用软件开发经验等，考虑到每年都有大量的理工类毕业人才，人才将不成问题。
　　
　　四，倒立摆产品（或我们）的发展方向
　　硬件方面：
　　1.产品类型：直线三级，四级，柔性连接，平面倒立摆等高端产品，关键是产品的高可靠性，高质量。
　　2.外围模块：国外的设备是首选，但是非关键部件也可以考虑国产设备，以降低价格。
　　3. 控制器: 硬件升级，选用高性能的DSP芯片，高精度的IO芯片，以适应复杂系统的控制，随着芯片价格，性能的提高，控制器的性能提高，价格下降，能够满足复杂算法的开发需要。
　　软件方面：
　　1.控制软件：以Matlab为主，开发难度小，先进算法前期仿真、实现方便，成熟后，也可脱离Matlab，自主开发可视化的控制软件。
　　2. 控制算法: 提供极点配置、LQR、基本模糊控制、先进模糊控制、神经网络、变结构等算法开发的解决方案。自主开发并提供满足各种控制要求的算法源代码，这样高端产品才有需求。
　　
　　五，对手的实力以及我们的思考
　　国外：无论是在外围硬件还是在控制器硬件上，我们都需要依靠国外的产品，他们的优势　明显。我们的优势在于控制算法（世界领先）、市场需求。
　　固高公司：固高公司有很强的研发能力，有雄厚的资金，有很好的市场影响力，面对它我们几乎没有任何优势，但是也要看到倒立摆（或者实验、教学仪器）是一个市场产品，不是一个垄断行业，不能由一家或几家公司垄断。自动化技术是影响国家竞争力的核心技术之一，中国发展的希望是更多的私营高科技企业的出现，只有本土高科技产业出现百花齐放的局面，国家提出的自主创新的强国之路才能走下去。目前的中国，就业竞争激烈，很多的人才没有真正发挥其才能，广纳有梦想、不甘平庸的人才，是可以有所作为的，民间的力量只有自立、自强才有出路。
　　
　　六，创业计划步骤的初步设想。
　　第一步：前期的资金投入。所要做的是购买外围硬件，设计高性能DSP控制器硬件。下图给出硬件配置（由于需要图示，所以硬件配置图表取消），总体投入在1-2万元以上。
　　
　　第二步：完成直线四级倒立摆的实物控制实验，这是最重要的前期工作，一旦实物控制实验成功，在核心技术上就有了与固高竞争的资本，这方面的工作已经有了很好的基础，所要做的是完成变论域自适应模糊控制器算法的转工作，生成适合倒立摆闭环控制的DSP算法，设计适合四级倒立摆闭环实物控制的DSP控制器。四级倒立摆的闭环实物控制在2002年由李洪兴教授领导的实验室在全球首次实现，因此在理论上是没有风险的，但在具体实践上还有很多的困难、问题需要攻克。
　　
　　第三步：寻找投资资金，寻找研发人才（不需要很多），一方面：完善产品软件的功能开发，更多算法的开发，实现倒立摆产品系列化开发，实现硬件的多样化设计，例如：开发基于低档DSP 或单片机的控制器算法以及控制器硬件，降低倒立摆成本，提高倒立摆可靠性设计。另一方面：实现批量生产，寻找和开拓产品市场。
　　第四步：如果有这一步的话，公司已经生存了下来。这一步才是真正的开始，将来怎样还是未知。
　　
　　七，创业风险分析
　　技术风险：　倒立摆产品具有专业性，有着一定的技术壁垒，但是作为一个市场化的产品，它的硬件需求、基本控制算法的开发都是成熟的，这方面没有风险。不成熟部分在于高端产品，先进控制算法的开发部分，因此，高端产品的开发存在一定的风险，高端产品的实物控制实现是主要的风险，例如：四级倒立摆的实物控制实现。但是这方面的工作并不是探索性的研究，而是在理论、实践上都有很好的基础下的工作，因此只要有人才，下定决心搞开发，成功地可能性是非常大，并且前期资金的投入并不多。
　　
　　市场风险：　市场风险的根源还是来自我们的产品，关键是我们的产品是否有竞争力？无论是在技术上，还是在产品价格、种类，满足用户要求上。我们不求每个方面最好，但在某些方面要有特点，要有竞争力，比如，我们的产品提供更为先进、多样的算法，满足更为尖端研究的需要，在性价比上也可提高。这方面关键是人才。有人才就有竞争力。毫无疑问，市场是有需求和前景的，而且需求将会增长。
　　
　　八：目前的技术基础（有关我的工作）
　　一级、二级倒立摆：　极点配置、LQR控制器的实物控制，基本模糊控制、变论域自适应　模糊控制的仿真实验。熟悉倒立摆实物系统（固高产品）的硬件配置，算法开发流程。
　　三级、四级倒立摆：　变论域自适应模糊控制的仿真研究；变论域自适应模糊控制器的DSP硬件实现的可行性初步研究，控制器DSP硬件设计初步设计。
　　五级倒立摆：　五级倒立摆变论域自适应模糊控制的仿真研究。
　　
　　九，需要的各方面人才：
　　理论基础：有好的数学功底，有好的控制理功底，会运用理论分析问题，例如，会运用分析力学建立模型。
　　Matlab：　精通Matalb，有很好Simulink仿真能力，有很好的Matlab编程能力。
　　C/C++/VC++程序开发: 有很好的C/C++算法编程能力，有桌面软件开发能力。
　　单片机/DSP：　单片机/DSP 开发板的设计，很强的C语言程序的编写能力
　　兴趣：　对技术的兴趣。
　　
　　十，我的梦想
　　1，成立一个公司，做控制理论应用方面研究和产品开发，做尖端控制方面的研究和咨询，现在的世界是以企业为主体的科技研发和竞争，这种模式的优点是明显的，例如，美国生产的一种高科技电动代步工具“Segway”，事实上是一个一级倒立摆方面的应用，如果不是企业去做，这样的产品是不会出现在市场上的。同时，公司也要广纳人才，记得我们的前辈曾国藩说过：天下事天下人办。广纳天下的人才，形成团队，让每个人各尽其材，实现其人生价值。
　　2，希望国家出现更多有技术追求、有梦想的高科技公司，让国家看到希望，为社会创造价值，改善人们的生活。也为更多有才能的人提供机会。

2万 · 2008-5-28 16:57

只看该作者 · 2008-5-28 18:36

只看该作者 · 2008-5-28 18:44

让俺佩服得紧，《线性系统理论》俺一遍还没有看完，他连每个公式都推导过！
这本书不是一般的难啃，这位仁兄还调戏了《线性多变量控制—一种几何方法》，简直让我佩服得五体投地，俺这边学控制的几十号人，能征服上面两本书的不出2人
读书读到硕士主要看自己的啊，一般的学校经常能蹦出几个牛人来，比较可以的学校也有很多在混的人