我国科学家攻克世界科学难题首次实现平面运动三级倒立摆 

http://www.sciencehuman.com   科学人 网站  2005-07-24

    本报讯（记者肖洁）在杂技表演中可以看到这样的动作：演员口衔一根小棍子，在小棍子的另一头立起另外一根棍子和盘子，做得好的演员还可以绕场行走。两根棍子之间的连接点非常小，依旧能够保持平衡。达到这样的水平是演员长期艰苦训练的结果，但是通过我国科学家的一项新的研究成果，人们只要轻松操作计算机也可以完成这样的高难度“表演”，而且据说杂技演员能掌握的极限就是两根棍子的平衡，我国科学家能做到的是一次顶起3根棍子并在一个平面内任意行走。完成这一成果的是北京师范大学教授李洪兴领导的复杂系统智能控制实验室，他们采用高维变论域自适应控制理论，在世界上第一个成功地实现了平面运动三级倒立摆实物系统控制。2005年7月15日，教育部组织包括两位院士在内的9位相关领域的科学家对这一成果进行了鉴定，认为这是一项原创性的具有国际领先水平的重大科研成果。
    倒立摆是验证控制方法和理论的实验平台，控制理论和方法做得越好，实现的倒立摆级数就越高，平面运动三级倒立摆是世界公认的科学难题。最初研究开始于上个世纪50年代，美国麻省理工学院的控制论专家根据火箭发射助推器原理设计出一级倒立摆实验设备；而后人们又参照双足机器人控制问题研制出二级倒立摆控制设备，从而提高了检验控制理论或方法的能力，也拓宽了控制理论或方法的检验范围。三级倒立摆是由一、二级倒立摆演绎而来，它的实物系统控制实现已经是公认的难题。
    2002年8月，李洪兴和他的同事在国际上首次成功实现了直线运动四级倒立摆实物系统控制。此后他们又将“平面运动倒立摆实物系统控制的实现”作为重要研究课题之一。此前他们已经实现的一级至四级倒立摆均为直线运动倒立摆。据李洪兴介绍，从控制理论和控制工程的意义上讲，平面运动倒立摆实物系统控制的实现要比直线运动倒立摆实物系统控制的实现困难得多；这不仅是因为这样的系统其变量、非线性程度及不稳定性成倍地增加，而且有关机械和电子器件的实现或选用会遇到瓶颈性的困难。记者在李洪兴的实验室看到了他们的倒立摆实验器材，据介绍这些器材都是他和助手们一个零件一个零件亲手加工而成，李洪兴自豪地告诉记者，从了解的资料看，日本科学家用的设备比我们先进多了，我们的设备比他们简陋，实验难度也更大，但我们成功了。
    李洪兴介绍说，变论域自适应控制理论产生的方法与技术会在许多领域中得到应用，比如半导体加工行业以及机器人领域中的柔性控制方面。此外，在军事与航天领域中，该理论与技术可用于导弹拦截控制系统拦截飞行体的姿态与定位控制问题、航空器对接控制技术中的欠自由度多级机械手臂定位控制以及各种欠驱动控制系统，等等。李洪兴告诉记者，他的研究结果已经在炼铝行业得到应用。
    李洪兴和同事下一步的研究目标是设法实现弹性驱动三级倒立摆实物系统控制和平面运动四级倒立摆实物系统控制。

     [科学时报]    　

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