倒立教學(xué)設(shè)計(共6篇)

30/30倒立教學(xué)設(shè)計〔共6篇〕第1篇：肩肘倒立教學(xué)設(shè)計《肩肘倒立》教學(xué)設(shè)計一．教學(xué)內(nèi)容根據(jù)中等職業(yè)教育改革國家規(guī)劃新教材《體育與健康》〔南方版〕，及百度搜索相關(guān)資料，選擇肩肘倒立－前滾成蹲立作為本課的主教材，快速跑移物接力練習(xí)作為輔助教材，在本課中先把復(fù)習(xí)前滾翻的教材內(nèi)容安排在新授教材內(nèi)容肩肘倒立－前滾成蹲立之前，然后再進行輔助教材快速跑移物接力游戲。所以確定本課的教學(xué)內(nèi)容為：1．前滾翻2．肩肘倒立－前滾成蹲立3．快速跑移物接力二．教學(xué)思路本課在教學(xué)中堅持“健康第一〞的體育教育思想，貫徹以學(xué)生開展為本和健身育人的理念。依據(jù)職高女生的身心開展特點和認知能力，在教與學(xué)的實踐過程中，為學(xué)生積極營造主動體驗、合作交流、探究拓展的學(xué)習(xí)氣氛，將知識傳授與技能、方法的學(xué)練有機結(jié)合，用過程評價鼓勵和激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)熱情，讓學(xué)生體驗合作學(xué)習(xí)的樂趣，懂得關(guān)愛同伴，珍惜生命，并在課后學(xué)生自己通過百度搜索肩肘倒立的根本技術(shù)、技能，從而形成正確的價值取向，促進學(xué)生和諧開展，到達教與學(xué)的和諧統(tǒng)一。三．教材分析1．特點：肩肘倒立是一項技巧性非常強的體育工程，對學(xué)生的要求非常高，它是在已經(jīng)學(xué)習(xí)了各種滾動、滾翻根底上進行的靜力性為主的練習(xí)，是進一步開展學(xué)生腰腹肌力量、身體協(xié)調(diào)、平衡能力和自控能力的延伸。本課的另一輔助教材為快速折返移物練習(xí)，它是以游戲的形式出現(xiàn)，這是學(xué)生進行身體素質(zhì)訓(xùn)練的一項內(nèi)容。2．作用：通過墊上運動的練習(xí)，培養(yǎng)學(xué)生平衡性和勇敢的作風(fēng)，在克服困難以及合作學(xué)習(xí)中樹立自信心，增強團隊意識。而快速折返跑開展的是學(xué)生的快速奔跑及迅速啟動與制動的能力。四．學(xué)情分析我校高一年級計算機1班女生20人。中職學(xué)校的女生由于其身心特點和綜合體育素質(zhì)，對強度過大的體育運動不太感興趣，但又有較強的表現(xiàn)欲，希望在老師和同學(xué)的心目中留下比擬好的印象，而且計算機操作水平較好。在生理上高中階段的學(xué)生又是鍛煉身體協(xié)調(diào)性和靈敏性的最正確時期。所以在教學(xué)過程中，采用了多種輕強度重美育的教學(xué)和發(fā)揮學(xué)生專業(yè)技能的特點，要求在課后利用計算機百度搜索相關(guān)的教學(xué)內(nèi)容加深概念的理解，這些教學(xué)方法激發(fā)學(xué)生的運動興趣，提高學(xué)生的學(xué)習(xí)熱情，充分展現(xiàn)學(xué)生的姿態(tài)美，讓學(xué)生全身心投入到活動中。五．教學(xué)目標1．認知目標：讓學(xué)生理解肩肘倒立正確的動作概念以及完成動作的相關(guān)原理，學(xué)會自我評價的方法。2．技能目標：使80％以上的學(xué)生在保護與幫助下能完成肩肘倒立動作，有20%左右的學(xué)生能獨立完成肩肘倒立，發(fā)揮學(xué)生的積極性、想象力和合作精神。3．情感目標：通過學(xué)習(xí),增強個人的自尊和自信，培養(yǎng)學(xué)生互幫互學(xué)、一絲不茍的優(yōu)良品質(zhì)，體驗取得成功的欣慰感。六．教學(xué)重點與難點重點：壓臂舉臀，夾肘撐腰。難點：立腰展髖，維持平衡。七．教法與學(xué)法教法：目標教學(xué)法、講解示范教學(xué)法、游戲教學(xué)法等。學(xué)法：自主學(xué)習(xí)法、合作學(xué)習(xí)法、探究式學(xué)習(xí)法、延伸性學(xué)習(xí)法等。八．教學(xué)流程1．激趣導(dǎo)入，愉悅身心：通過課堂常規(guī)練習(xí)，宣布本課學(xué)習(xí)任務(wù)和要求，使學(xué)生較好地遵守課堂常規(guī)，明確課堂學(xué)習(xí)目標，教師通過親切的語言，進行課的導(dǎo)入和展開隊列，便于課的自然和流暢性，創(chuàng)設(shè)一個和諧的學(xué)習(xí)環(huán)境。結(jié)合本節(jié)課主教材和女生的心理生理特點，教師課前通過百度搜索://dawendou/s?wd=%B1%A8%CA%FD%B3%C9%CD%C5%D3%CE%CF%B7&pn=0。安排了“報數(shù)成團〞的游戲，學(xué)生在繞體操折疊墊圍成的圈中慢跑時，聽教師口令后迅速坐在墊上成相應(yīng)的人數(shù)，目的就是為了激發(fā)學(xué)生體育學(xué)習(xí)的興趣，盡快進入角色。2．增進合作，掌握技能：專項熱身活動。學(xué)生一人坐在一個墊上進行專門的熱身活動操，學(xué)生跟著教師練習(xí)，讓學(xué)生為接下去的學(xué)習(xí)做好充分的準備。復(fù)習(xí)前滾翻。通過教師的簡煉的語言和口令展開，學(xué)生按照相應(yīng)的要求進行前滾翻動作練習(xí)，最后成前滾翻直角坐。學(xué)習(xí)肩肘倒立－前滾成蹲立。在課前教師參考百度搜索的相關(guān)網(wǎng)頁://dawendou/s?cl=3&wd=%BC%E7%D6%E2%B5%B9%C1%A2%2D%C7%B0%B9%F6%B3%C9%B6%D7%C1%A2。通過教師的講解和示范、巡視指導(dǎo)、個別與集體糾錯相結(jié)合，通過學(xué)生的自主學(xué)習(xí)、兩人小組合作學(xué)習(xí)、兩人小組共同探究、相互幫肋與保護，讓學(xué)生在討論交流、合作互動、展示及師生共同評價中，展開教與學(xué)活動。充分運用各種教學(xué)方式使學(xué)生在學(xué)習(xí)中由易到難，由淺到深，充分展現(xiàn)了學(xué)生的姿態(tài)美。從墊上的輔助練習(xí)－后翻腳尖觸地、雙手撐腰練習(xí)、雙腳觸高物練習(xí)開始過度到肩肘倒立，最后再肩肘倒立－前滾成蹲立完成一系列的動作。并嘗試前滾翻直角坐－肩肘倒立－前滾成蹲立的組合練習(xí)。整個學(xué)習(xí)過程循序漸進，便于學(xué)生掌握。為了給學(xué)生提供一個展示成果的平臺，在學(xué)習(xí)中安排了從不同方位展示動作，讓學(xué)生在學(xué)習(xí)中體驗成功與快樂，陶冶情操。身體素質(zhì)游戲。在快速跑移物接力游戲中，把學(xué)生分成人數(shù)相同的四組均勻站在折疊墊圍成的圈上，并設(shè)定為A點，圓心為B點，學(xué)生從A點快速跑到B點，將B點的障礙物放到C點再快速跑回A點，本組的下一位學(xué)生將C點的障礙物放回B點再快速跑回A點。每組的學(xué)生依次進行，最快者為勝。其目的是開展學(xué)生的奔跑能力，提高靈敏、反響和力量素質(zhì)。通過接力賽，在拼搏與競爭中促進學(xué)生積極向上、團結(jié)合作、頑強進取的優(yōu)秀品質(zhì)的形成。3．陶冶情操，恢復(fù)身心：本次課放松身心的安排是在輕音樂的伴奏下先按教師的提示語進行各種呼吸的調(diào)整練習(xí)和控制呼吸節(jié)奏的練習(xí)，然后隨著教師輕柔的語言緩慢的轉(zhuǎn)動和拉伸頭部、手臂等身體部位的肌肉，到自己的最大限度后保持幾秒鐘，使學(xué)生在一動一靜間學(xué)會如何集中、放松，平衡自己的情緒，最終使整個機體活動水平降低，到達心理上的松弛，從而使機體保持內(nèi)環(huán)境平衡與穩(wěn)定。教師也是在課前參考了各種的相關(guān)的百度視頻://video.baidu/v?ct=301989888&rn=20&pn=0&db=0&s=25&word=%E8%A4%D9%A4%B7%C5%CB%C9。最后教師總結(jié)并提出要求布置作業(yè)。九．運動負荷與目標通過本次課學(xué)習(xí)，大多數(shù)學(xué)生能初步掌握肩肘倒立—前滾成蹲立完整動作，肩肘倒立時初步能做到撐腰夾肘、舉腿展髖動作。通過快速跑移物接力練習(xí)，開展學(xué)生的奔跑能力，提高靈敏、反響和力量素質(zhì)。本次課學(xué)生的運動強度最高心率為160次/分左右，平均心率120-130次/分左右，練習(xí)密度為40%-50%左右。十．場地與器材場地：籃球場一塊。器材：折疊式小體操墊20只，小障礙物4只，錄音機1臺。教學(xué)反思為了更好地貫徹《中等職業(yè)學(xué)校體育與健康教學(xué)指導(dǎo)綱要》，以“健康第一〞和培養(yǎng)學(xué)生終身體育意識與能力的指導(dǎo)思想，這節(jié)課無論從教學(xué)組織形式，還是整個教學(xué)活動的實施過程，我都試圖表達以學(xué)生的開展為本，注重學(xué)生創(chuàng)新精神和實踐能力的培養(yǎng)。1．思得：肩肘倒立-前滾成蹲立是職業(yè)高中一年級女生技巧課的主要內(nèi)容之一，本節(jié)課根據(jù)教學(xué)內(nèi)容的需要，在課前運用了互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)百度搜索了各種相關(guān)的資料為上課打下的堅實的根底。整節(jié)課圍繞小墊子設(shè)計了一系列新穎的練習(xí)和游戲，使較多的同學(xué)都能積極的進行學(xué)練，讓學(xué)生在自主學(xué)練中發(fā)現(xiàn)問題、解決問題。通過改變教學(xué)策略、學(xué)生的學(xué)習(xí)方式，組織一系列相關(guān)的輔助練習(xí)和講授保護和幫助的方法，來幫助學(xué)生掌握肩肘倒立-前滾成蹲立的動作，從而提高肩肘倒立-前滾成蹲立的能力。由于肩肘倒立-前滾成蹲立的動作有一定的難度，對學(xué)生具有挑戰(zhàn)性。在學(xué)習(xí)過程中素質(zhì)較好的學(xué)生能較快掌握動作要領(lǐng)，在動作完成后，她們覺得再反復(fù)練習(xí)就是浪費時間，很想自由活動。而根底較差的學(xué)生又覺得動作太難，產(chǎn)生了不想學(xué)的念頭，存在著較大的差異性。針對這個情況，我臨時改變教學(xué)策略將優(yōu)秀的學(xué)生分到各小組當組長，運用所學(xué)到的保護幫助的方法以增強素質(zhì)較差學(xué)生的練習(xí)信心。其他學(xué)生在組長們的帶著下，學(xué)習(xí)的積極性明顯提高了。我在巡視的過程中發(fā)現(xiàn)，組長們都能很耐心的給同組同學(xué)講解動作要領(lǐng)，還不厭其煩地進行示范，并做好保護幫助工作，并且鼓勵同學(xué)不要緊張以增強自信心，最后還布置了作業(yè)，要求每位學(xué)生課后利用本專業(yè)特長，百度搜索本節(jié)課的教學(xué)內(nèi)容，加深學(xué)生對動作的概念。整堂課下來，學(xué)生們普遍感到自己不僅學(xué)到了一項有趣的技巧動作，而且覺得原來與同學(xué)之間的交流并不是這么困難的事，互相幫助，鼓勵對方獲得成功原來是一件這么快樂的事。2．思失：盡管在教學(xué)預(yù)設(shè)的過程中對于學(xué)生可能出現(xiàn)的問題考慮得比擬細致，可是在具體的實施過程中還是有不盡人意的地方。由于高一年級財會1班的女生身體素質(zhì)和體育綜合素質(zhì)較弱，在練習(xí)中完成動作還是略顯困難，學(xué)生的夾肘、立腰、展髖動作不到位，繃腳尖意識薄落，需要老師不斷的提醒。再加上女生稍有點困難或不舒服，就不能堅持，所以在課中這些同學(xué)不能夠完成高要求的練習(xí)內(nèi)容。針對此問題，我也一直在想著一個合理的、科學(xué)的解決方案，因為增強學(xué)生的體質(zhì)，使他們健康是我們每一個體育教師的根本責(zé)任和義務(wù)。3．思改：整堂課下來給了我很多的啟示：在教學(xué)過程中，必須以學(xué)生的開展為中心，關(guān)注學(xué)生的個體差異和不同需求。教師在組織教學(xué)中要盡量采用使學(xué)生能夠產(chǎn)生強烈興趣和新鮮感的組織形式，以增強學(xué)生的吸引力，激發(fā)學(xué)生的運動興趣。課堂中必須注重學(xué)生學(xué)習(xí)和鍛煉過程中積極的情感體驗，力求做到精講多練，語言生動，并不斷改變練習(xí)方式。同時為學(xué)生提供廣闊的空間，讓學(xué)生在愉悅和諧的氣氛中學(xué)習(xí)，到達教與學(xué)的和諧統(tǒng)一。第2篇：肩肘倒立教學(xué)設(shè)計技巧：《肩肘倒立》教學(xué)教案授課人：周建波授課時間：2022-12-20一、教材分析技巧教材是初中體育與健康課程的重要內(nèi)容之一，包括各種滾翻、倒立、平衡、蹦跳等。其中，肩肘倒立動作比擬簡單，對場地器材要求不高，草地、沙地上等都可以進行練習(xí)，鍛煉價值高，經(jīng)常練習(xí)，對開展身體平衡定向能力、腰腹肌肉力量及靈敏、協(xié)調(diào)、柔韌等身體素質(zhì)有顯著作用，同時可培養(yǎng)學(xué)生的自信、堅韌、不怕困難的優(yōu)秀品質(zhì)以及協(xié)調(diào)配合、助人為樂、建立和諧友善的人際關(guān)系都具有現(xiàn)實意義。二、教學(xué)目標：1、開展身體正確姿勢和時空感知、平衡定向能力。2、80-90%同學(xué)掌握肩肘倒立技術(shù)動作。3、培養(yǎng)練習(xí)興趣，提高注意力、自控力、自信心和克服困難的精神。4、培養(yǎng)同學(xué)間團結(jié)合作、互相幫助的品質(zhì)，提高平安意識以及社會適應(yīng)能力。三、教學(xué)策略1、動作要領(lǐng)：由直角坐開始，向后倒肩、舉腿、送髖，當向后滾動至小腿超過頭部時，向上舉腿、送髖、挺腰，同時兩手夾肘撐腰后側(cè)，成肩、肘支撐的倒立姿勢。2、動作要求：舒展、協(xié)調(diào)、連貫，剛健優(yōu)美，配上音樂伴奏，能給人以美的享受和體驗。3、教法指導(dǎo)：主要采用直觀示范法和合作學(xué)習(xí)法等。發(fā)揮學(xué)生的主體作用，注意選擇和培養(yǎng)學(xué)生骨干，發(fā)揮他們的作用。4、保護與幫助：周密組織和指導(dǎo)，加強同伴互助，站位合理，幫助及時，手法正確，助力適當，高度負責(zé)。防止出現(xiàn)失控而造成運動傷害。5、器材準備：小墊子20塊6、練習(xí)口訣：后倒舉腿腳繃直，升髖立腰手撐實。雙臂夾肘緊壓墊，肩肘倒立見美姿四、教學(xué)重點：舉腿升髖，支撐穩(wěn)。難點：升髖立腰，動作連貫，姿勢優(yōu)美。五、教學(xué)過程：〔一〕教學(xué)常規(guī)2’1、整隊，宣布上課，師生問好。2、導(dǎo)入課題，師生互動。提出教學(xué)要求。3、安排見習(xí)生?！捕郴顒訜嵘?0’1、慢跑：〔八卦陣形跑〕2、游戲：〔圍圓慢跑，聽老師報數(shù)作相應(yīng)動作：1——左手摸地，2——右手摸地，3——反〕3、徒手操：肢體的抻拉練習(xí)〔三〕肩肘倒立學(xué)練活動18’1、分組，分發(fā)技術(shù)分解圖片，學(xué)生初步感知2、教師示范，講解動作要領(lǐng)。由直角坐開始，向后倒肩、舉腿、送髖，當向后滾動至小腿超過頭部時，向上舉腿、送髖、挺腰，同時兩手夾肘撐腰后側(cè)，成肩、肘支撐的倒立姿勢。3、誘導(dǎo)性輔助練習(xí)活動：〔1〕舉腿練習(xí)〔舉腿觸標準物〕〔2〕展髖立腰練習(xí)4、講解同伴互助練習(xí)方法：站位合理，幫助及時，手法正確，助力適當。5、分組，互助式學(xué)練。教師巡視指導(dǎo)。6、探究學(xué)習(xí)活動〔教師有意做問題動作——立不住、立不穩(wěn)，讓學(xué)生找出原因：腰腹力量問題或是沒有夾肘，形成用力支撐〕7、分組和集體展示。學(xué)習(xí)評價〔學(xué)生形成性評價，教師終結(jié)性評價〕〔四〕瑜迦練習(xí)10’要求心情放松，呼吸輕松自然1、星式2、樹式3、三角式4、鷹式〔五〕瑜迦收心靜氣3’〔在墊子上練習(xí)，注意瑜迦腹式呼吸方法〕〔六〕教學(xué)評價，布置課外練習(xí)，宣布下課，收管器材教學(xué)預(yù)測：參與度較好，平均心率120次左右/s，練習(xí)密度約50-60%教學(xué)反思：七年級學(xué)生個性差異較大，個人練習(xí)的密度和次數(shù)有較大差異。尤其是局部女生同學(xué)，嫌臟怕累，練習(xí)積極性不高，動作生硬，但是大多數(shù)同學(xué)還是練習(xí)興趣很濃的，表達出了良好的運動能力和自我展示能力。在互助練習(xí)時，個別組同學(xué)的幫助不及時不到位，“頂〞“拉〞不協(xié)調(diào)。通過學(xué)練活動，根本表達出七年級學(xué)生在逐漸學(xué)會學(xué)習(xí)，學(xué)會競爭，學(xué)會欣賞等優(yōu)秀品質(zhì)。肩肘倒立動作分析保護和幫助練習(xí)口訣：后倒舉腿腳繃直，送髖立腰手撐實。雙臂夾肘緊壓墊，肩肘倒立見美姿。幫助方法：站位合理,幫助及時,手法正確,助力適當,高度負責(zé)第3篇：肩肘倒立教學(xué)設(shè)計一、教學(xué)目標1、運動參與：通過自學(xué)、互學(xué)、評價激發(fā)學(xué)生自覺參加體育與健康課的學(xué)習(xí)欲望。2、運動技能：85%以上的同學(xué)能理解肩肘倒立，70%的學(xué)生能自己做好動作。3、身體健康：開展學(xué)生的柔韌性和全身的協(xié)調(diào)性。4、心理健康：設(shè)置多層次教學(xué)目標，面向全體學(xué)生，使每個學(xué)生體會成功，，增強個人的自尊和自信。5、社會適應(yīng)：在小組學(xué)習(xí)中，學(xué)會合作，開展社會交往能力，能開展互學(xué)、互評。二、學(xué)情分析這個年齡段的學(xué)生主要特點是有一定的好勝心，興趣廣泛，樂于接受挑戰(zhàn)，尤其是男生對公眾人物有一定的崇拜和向往，愛表現(xiàn)自我，同時還存在著任性和依賴性。因此在教學(xué)過程中不時要用引導(dǎo)和鼓勵的語言來調(diào)動其積極性。三、重點難點重點：翻臂夾肘，展髖繃腳。難點：挺拔筆直。四、教學(xué)過程一〕、課堂常規(guī)1、成四列橫隊站立體育委員整隊，并檢查人數(shù)?2、向老師問好，靜聽教師活動：1、指導(dǎo)觀察;2、向?qū)W生問好，宣布本課內(nèi)容。二〕、準備活動1、一路縱隊慢跑，并在老師帶著下進入練習(xí)區(qū)2、自由操教師活動：1、領(lǐng)跑進入練習(xí)區(qū)2、講解、示范、口令引導(dǎo)三〕、新授：肩肘倒立評論.1、傳球游戲方法：雙腳夾球，向后倒體，下一位用手接球后以同樣方式向后傳球，最后一位接球后轉(zhuǎn)身回傳要點：膝關(guān)節(jié)伸直，腳面繃直，雙手壓墊2、體前屈后倒墊上舉要點：膝關(guān)節(jié)伸直，雙腳并攏，腳面繃直，雙手壓墊3、壓墊伸髖，腳尖上頂(保護與幫助)要點：倒墊迅速，壓墊有力教師活動：1、講解、示范并組織進行游戲2、在游戲過程中提醒學(xué)生要點?3、講解、示范4、在練習(xí)過程中提醒學(xué)生要點?5、巡回指導(dǎo)、糾錯4、保護與幫助方法：幫助者站在練習(xí)者身前；當練習(xí)者上體后倒、收腹舉腿后，幫助者立即上墊，兩手握住練習(xí)者的踝關(guān)節(jié)上提，同時用膝關(guān)節(jié)頂其臀部，示意練習(xí)者收臀，繃腳尖向上用力保護幫助下做肩肘倒立。五、練習(xí)與展示一〕、肩肘倒立練習(xí)要點：上體后倒腿上舉，兩臂夾肘時緊壓墊，屈肘內(nèi)收手撐腰，伸髖挺腹腿蹬直二〕、展示與評價?練習(xí)保護幫助游戲活動1.聽取規(guī)那么、要求教師活動：六、結(jié)束局部1、放松活動2、課堂小結(jié)3、師生再見，收還器材教師活動：1、組織、引導(dǎo)學(xué)生放松活動2、講解考前須知3、總結(jié)評價4、組織整理器材5、師生再見第4篇：體育教學(xué)設(shè)計肩肘倒立體育教學(xué)設(shè)計肩肘倒立體育教學(xué)設(shè)計體育教學(xué)設(shè)計一、本課教材：肩肘倒立〔第二次課〕——水平三二、指導(dǎo)思想：根據(jù)體育健康標準的要求，本課在教學(xué)中堅持“健康第一〞的體育教育思想，激發(fā)學(xué)生的運動興趣，注重學(xué)生的主體性并關(guān)注學(xué)生的個體差異；培養(yǎng)學(xué)生的小組合作和競爭意識，以及自主探究的學(xué)習(xí)能力，創(chuàng)新精神和實踐能力；到達教與學(xué)的和諧統(tǒng)一。三、學(xué)情分析：1、教學(xué)對象：小學(xué)五年級男女生2、知識、技能根底：有一定的知識、技能根底，但在知識的理解、技術(shù)的掌握和學(xué)習(xí)的方法、興趣上存在著一定的差異。為此，在教學(xué)中關(guān)注學(xué)生的個體差異與不同需求，確保每一個學(xué)生受益。3、心理素質(zhì)、身體素質(zhì)特點：心理素質(zhì)處于思維的活潑期，思路比擬敏捷，樂于思考組織紀律性和自信心以及集體榮譽感較強。身體素質(zhì)處于生長發(fā)育階段，呈現(xiàn)出身體素質(zhì)開展不均衡的特性。四、教學(xué)目標：認知目標：1、使學(xué)生了解動作概念以及完整動作的相關(guān)原理，學(xué)會自我評價的方法。2、通過研究和想象用羽毛球、球網(wǎng)來創(chuàng)作編織“奧運〞的意識。技能目標：1、較好地掌握肩肘倒立動作方法，能夠較穩(wěn)定、高質(zhì)量地完成動作。2、發(fā)揮學(xué)生的積極性、想象力和合作精神，較好地完成游戲任務(wù)。情感目標：主動參與，積極創(chuàng)新，欣賞自我；增強個人的自尊和自信，培養(yǎng)學(xué)生互幫互學(xué)、一絲不茍的優(yōu)良品質(zhì)，體驗取得成功的欣慰感。五、教材的重、難點：1、重點：壓臂舉臀，兩手撐腰。2、難點：伸髖立腰，連貫優(yōu)美。六、教學(xué)程序設(shè)計：1、開始局部：除常規(guī)教學(xué)外，安排了隊列隊行——按所報數(shù)齊步走立定練習(xí)。2、準備局部：安排了幾節(jié)徒手操，并模擬解放軍叔叔進行行軍操練，通過多種障礙如沖過戰(zhàn)壕、投彈、跑過獨木橋、走過沼澤地、爬過鐵絲網(wǎng)、滾過草地、越過小山包、穿過樹林、跨過小河等對學(xué)生進行磨練教育，學(xué)習(xí)解放軍叔叔訓(xùn)練的刻苦精神。同時，利用課件來激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，提高自信心、克服困難、勇于進取較好地完成這次行軍任務(wù)。3、主體局部：(1)、利用多媒體導(dǎo)入本課主教材——肩肘倒立，讓學(xué)生通過觀察、想象“雨后春筍〞的形狀和樣子，提出質(zhì)疑——你能不能用自己的身體將春筍正直、挺拔的特點展現(xiàn)出來，這時學(xué)生通過觀察、想象，展現(xiàn)出各種動作。教師利用課件總結(jié)出幾種如直立、手倒立、頭手倒立、肩肘倒立等，導(dǎo)入課題肩肘倒立。(2)、教師通過課件集中講解肩肘倒立的動作并示范，組織學(xué)生根據(jù)教師的講解示范進行分解練習(xí)上體前倒手觸腳—后倒翻臀臂壓墊—屈肘內(nèi)收手插腰—伸髖挺腹腿蹬直。教師巡視給予指導(dǎo)糾正，找學(xué)生進行示范并點評。組織學(xué)生進行完整動作的練習(xí)、展示。(3)、教師利用課件講解示范保護和幫助的方法，組織學(xué)生兩人一組進行練習(xí)，教師巡視觀察指導(dǎo)，讓學(xué)生體驗肩肘倒立的標準動作并進行展示。(4)、游戲安排的是編織體育，利用羽毛球和球網(wǎng)進行，先進行簡單的織和解，再編織稍有難度的并和北京奧運會相關(guān)2022，先原地小組研究擺放的位置再進行接力賽。4、結(jié)束局部：利用小墊子和身體擺放我們開發(fā)區(qū)的英文縮寫TEDA，先小組合作再進行展示，要求全員參與、圖形有立體感。第5篇：倒立擺課程設(shè)計西北民族大學(xué)2022級自動化3班鐘小龍摘要倒立擺系統(tǒng)作為一個具有絕對不穩(wěn)定、高階次、多變量、強禍合的典型的非線性系統(tǒng)，是檢驗新的控制理論和方法的理想模型，所以本文選擇倒立擺系統(tǒng)作為研究對象具有重要的理論意義和應(yīng)用價值。相對于其他研究倒立擺系統(tǒng)的控制方法，Backstepping方法最大的優(yōu)點是不必對’系統(tǒng)進行線性化，可以直接對系統(tǒng)進行遞推性的控制器設(shè)計，保存了被控對象中有用的非線性項，使得控制設(shè)計更接近實際情況，而且所設(shè)計的控制器具有很強的魯棒性。本文主要利用Backstepping方法設(shè)計了直線型一級倒立擺系統(tǒng)控制器并基于MATLAB/Simulink對系統(tǒng)進行了離線仿真。本文所作的主要工作或要到達的主要目的是:(一)建立直線型一級倒立擺系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型，并利用Backstepping方法設(shè)計了該倒立擺系統(tǒng)的控制器，然后對閉環(huán)系統(tǒng)進行了數(shù)值仿真并與其他方法進行了數(shù)值仿真分析比擬。與當前的倒立擺研究成果相比，具有研究方法新穎、控制效果好的特點。(二)本文利用所設(shè)計的非線性控制器在MATLAB/Simulink環(huán)境下對系統(tǒng)進行了離線仿真分析，并與固高公司提供的算法進行了仿真效果比擬。關(guān)鍵詞:倒立擺系統(tǒng)，Backstepping,MATLAB/Simulink，實時控制西北民族大學(xué)2022級自動化3班鐘小龍目錄1.倒立擺系統(tǒng)的簡介11.1倒立擺系統(tǒng)的研究背景11.2倒立擺系統(tǒng)的研究歷史、現(xiàn)狀及開展趨勢21.3倒立擺的主要控制方法42.一級倒立擺數(shù)學(xué)模型62.1一級倒立擺系統(tǒng)的組成62.2一級倒立擺系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型的建立73.系統(tǒng)控制器的設(shè)計和閉環(huán)系統(tǒng)的數(shù)值仿真94.直線型一級倒立擺系統(tǒng)的Simulink模型和離線仿真124.1基于線性控制器對線性系統(tǒng)的離線仿真124.2基于線性控制器對非線性系統(tǒng)的離線仿真154.3基于非線性控制器對非線性系統(tǒng)的離線仿真165.模型的優(yōu)點186.結(jié)論和展望197.參考文獻20西北民族大學(xué)2022級自動化3班鐘小龍在控制理論的研究及其應(yīng)用的開展過程中，當一種新的理論產(chǎn)生，它的正確性及實際應(yīng)用中的可行性都需要一個按其理論設(shè)計的控制器去控制一個典型對象來驗證，而倒立擺就是這樣一個被控制對象。倒立擺是一個多變量、快速、非線性、強藕合、不穩(wěn)定的系統(tǒng)，通過對它引入一個適當?shù)目刂品椒ㄊ怪蔀橐粋€穩(wěn)定系統(tǒng)，來檢驗控制方法對不穩(wěn)定性、非線性和快速性系統(tǒng)的處理能力，而且在倒立擺的控制過程中，它能有效地反映諸如可鎮(zhèn)定性、魯棒性、隨動性以及跟蹤性能等許多自動控制領(lǐng)域中的關(guān)鍵問題。因此受到世界各國許多科學(xué)家的重視，從而用不同的控制方法控制不同類型的倒立擺，成為最具有挑戰(zhàn)性的課題之一。對倒立擺系統(tǒng)的研究不僅僅在其結(jié)構(gòu)簡單、原理清晰、易于實現(xiàn)等特點，而且作為典型的多變量系統(tǒng)，可采用實驗來研究控制理論中許多方面的問題。諸如模型的建立、狀態(tài)反響、觀測器理論、快速控制理論以及濾波理論等都可以用于這類系統(tǒng)。因此，倒立擺實驗?zāi)Ｐ蛯ΜF(xiàn)代控制理論的教學(xué)來說，自然成為一個相當理想的實驗?zāi)Ｐ?，而且也可以作為?shù)控技術(shù)應(yīng)用的典型的對象;另一方面對系統(tǒng)的研究也比擬有實用價值，從日常生活中所見到的任何重心在上、支點在下的控制問題，到空間飛行器和各類伺服云臺的穩(wěn)定，都和倒立擺的控制有很大的相似性，故對其的穩(wěn)定控制在實際中有很多應(yīng)用，如海上鉆井平臺的穩(wěn)定控制、衛(wèi)星發(fā)射架的穩(wěn)定控制、火箭姿態(tài)控制、飛機平安著陸、機器人雙足行走機構(gòu)、化工過程控制等都屬這類問題。因此對倒立擺機理的研究具有重要的理論和實際意義，成為控制理論中經(jīng)久不衰的研究課題。除此之外，由于倒立擺系統(tǒng)的高階次、不穩(wěn)定、多變量、非線性、強耦合等特性，許多現(xiàn)代控制理論的研究人員一直將它們視為研究對象，用它們來描述線性控制領(lǐng)域中不穩(wěn)定系統(tǒng)的穩(wěn)定性和非線性控制領(lǐng)域中的變結(jié)構(gòu)控制、無源性控制、自由行走、非線性觀測器、摩擦補償、非線性模型降階等控制思想，并且不斷從中開掘出新的控制理論和控制方法，相關(guān)的成果在航空航天和機器人學(xué)方面獲得了廣闊的應(yīng)用?？梢?，對倒立擺系統(tǒng)進行研究既具有意義深遠的理論價值，又具有重要的工程背景和實際意義。倒立擺系統(tǒng)有著很強的工程背景，主要表達在:(l)機器人的站立與行走類似于雙倒立擺系統(tǒng)，盡管第一臺機器人在美國問世至今已有三十年的歷史，機器人的關(guān)鍵技術(shù)—機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程中為了保持其正確的姿態(tài)要不斷進行實時控1西北民族大學(xué)2022級自動化3班鐘小龍制。(3)通信衛(wèi)星在預(yù)先計算好的軌道和確定的位置上運行的同時要保持其穩(wěn)定的姿態(tài)使衛(wèi)星天線一直指向地球使它的太陽能電池板一直指向太陽。(4)偵察衛(wèi)星中攝像機的輕微抖動會對攝像的圖像質(zhì)量產(chǎn)生很大的影響，為了提高攝像的質(zhì)量必須能自動地保持伺服云臺的穩(wěn)定消除震動。(5)為防一止單級火箭在拐彎時斷裂而誕生的柔性火箭(多級火箭)其飛行姿態(tài)的控制也可以用多級倒立擺系統(tǒng)進行研究。由于控制理論的廣泛應(yīng)用，由此系統(tǒng)研究產(chǎn)生的方法和技術(shù)將在半導(dǎo)體及精密儀器加工、機器人控制技術(shù)、人工智能、導(dǎo)彈攔截控制系統(tǒng)、航空對接控制技術(shù)、火箭發(fā)射中的垂直度控制、雙足機器人火箭飛行控制、伺服云臺穩(wěn)定、衛(wèi)星飛行中的姿態(tài)控制和一般工業(yè)應(yīng)用等方面具有廣闊的利用開發(fā)前景。因此對倒立擺控制機理的研究具有重要的理論和實踐意義。倒立擺系統(tǒng)大概可以歸納為如下幾類:平行式倒立擺、平面擺、柔性擺、懸掛式倒立擺和球平衡式倒擺系統(tǒng)。倒立擺的級數(shù)可以是一級、二級、三級乃至多級，倒立擺的運動軌道既可以是水平的，也可以是傾斜的。1.2倒立擺系統(tǒng)的研究歷史、現(xiàn)狀及開展趨勢自從20世紀50年代倒立擺系統(tǒng)成為控制實驗室的經(jīng)典工具以來，關(guān)于倒立擺控制的論述可以分為2個主要的方面:1)理論方面:依靠計算機仿真對控制方法的可行性進行驗證;2)實驗方面:調(diào)查引起計算機仿真結(jié)果和實時控制之間性能差異的物理不確定性。在理論方面，1986年，Chung和Litt對單級倒立擺系統(tǒng)的動態(tài)進行了辨識，并分別設(shè)計了自適應(yīng)自整定反響控制器和PD反響控制器來保持倒立擺在垂直向上方向的穩(wěn)定。1989年，Anderson和Grantham，運用函數(shù)最小化和Lyapunov穩(wěn)定方法成功產(chǎn)生了一個優(yōu)化反響控制器。1992年，Renders和Soudak通過相平面分析，得到了一個線性控制器。1995年，任章等應(yīng)用振蕩控制理論，通過在倒立擺支撐點的垂直方向上參加一個零均值的高頻振蕩信號，改善了倒立擺系統(tǒng)本身的穩(wěn)定性。1998年，蔣國飛等將Q學(xué)習(xí)算法和BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)有效結(jié)合，實現(xiàn)了狀態(tài)未離散化的倒立擺的無模型學(xué)習(xí)控制。2001年，單波等利用基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的預(yù)測控制算法對倒立擺的控制進行了仿真。在兩級倒立擺方面，Sabba(1983)把系統(tǒng)穩(wěn)定尺度作為一個無限維不等式，從而防止了方法。1996年，翁正新等利用帶觀測器的H狀態(tài)反響控制器對二級倒立擺系統(tǒng)進行了仿真控制。1997年，翁正新等利用同樣的方法對傾斜導(dǎo)軌上的二級倒立擺進行了仿真控制。Sinha和Joseph2000年，劉妹琴等用進化RBF神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制二級倒立擺。1994年，2西北民族大學(xué)2022級自動化3班鐘小龍利用LyapunovFloquet變換得到了三級倒立擺系統(tǒng)的計算機仿真模型(有3個控制輸入)。2001年，李洪興領(lǐng)導(dǎo)的模糊系統(tǒng)和模糊信息研究中心利用變論域自適應(yīng)模糊控制的思想在國際上首次實現(xiàn)了四軸倒立擺的仿真;同年，肖軍等提出一種基于三維模糊組合變量的控制方法，仿真結(jié)果證明了該方法的有效性。在數(shù)學(xué)模型方面，Larcombe(1991,1992)得到了在二維坐標中的簡單多級倒立擺系統(tǒng)的運動方程。1992年，Larcombe和Torsneyt2發(fā)現(xiàn)了簡單多級倒立擺系統(tǒng)平衡狀態(tài)的辨識方程。隨后，Larcombe(1993)把符號算法應(yīng)用于二級倒立擺系統(tǒng)的開環(huán)線性化動態(tài)方程，并且計算了系統(tǒng)的特征方程和開環(huán)極點。2001年，史曉霞等建立了二級倒立擺的數(shù)學(xué)模型，同年，張葛祥等建立了三級倒立擺的數(shù)學(xué)模型，并分析了系統(tǒng)的可控制性和可觀測性，給出了智能控制算法的思路。在實驗方面，單級倒立擺系統(tǒng)的實驗最早出現(xiàn)在Roberge(1960)的論文中。1963年，Higdon和Cannon提出了平行倒立擺的問題。Koenigsberg和Fredrick(1970)那么使用了基于觀測器的輸出反響控制器和狀態(tài)反響調(diào)節(jié)器。Mori等((1976)設(shè)計了一個組合控制器，既可以擺起倒立擺，還可以維持它在垂直向上方向上的平衡。1992年，Simth和Blackburn利用高頻垂直振蕩獲得穩(wěn)定的倒置狀態(tài)，同年，Ostertag和CarvalhoOstertag開發(fā)了一個帶摩擦力補償?shù)姆€(wěn)定模糊控制器。Wei等(1995)利用bangbang非線性控制器擺起了倒立擺并穩(wěn)定在垂直向上方向。1996年，張乃堯等實現(xiàn)了倒立擺的雙閉環(huán)模糊控制。1998年，王佳斌用網(wǎng)絡(luò)控制倒立擺。對于二級倒立擺，Loscuttof(1972)認為只有全階觀測器才能實現(xiàn)它的穩(wěn)定;但Furuta等((1975)證明了這種結(jié)論的錯誤性，并在1978年利用一個線性函數(shù)觀測器穩(wěn)定了同一系統(tǒng)。1980年，F(xiàn)uruta等控制了傾斜導(dǎo)軌上的同一系統(tǒng)，并能保持小車的正確定位。Zuren等在1984年運用局部狀態(tài)和線性函數(shù)觀測器結(jié)構(gòu)，在模擬計算機上應(yīng)用了同一算法，1987年他DerLinden和們使用離散二次性能指標修改T這一控制器。1993年，VanLambrechts在運用戈理論設(shè)計倒立擺的控制器時考慮了干摩擦。Yamakita等(1993)運用學(xué)習(xí)控制方法成功擺起了二級倒立擺系統(tǒng)，而且在1994年他們運用這相同的控制方法使倒立擺在4種平衡狀態(tài)中互相切換。1995年，程福雁等利用參變量模糊控制對二級倒立擺進行實時控制，取得了較好的效果。1999年，李巖等運用基于PD控制的專家智能控制并實現(xiàn)了二級倒立擺的穩(wěn)定控制。2000年，林紅等利用最優(yōu)反響調(diào)節(jié)器使其在倒立位置保持平衡，并在鋸齒波信號的作用下有規(guī)律地移動，直至無限遠處。在三級倒立擺方面，F(xiàn)uruta(1984)和Meier等(1990)分別利用帶函數(shù)觀測器和降階觀測器的LQR方法設(shè)計了反響控制器。1999年，李德毅利用云控制方法有效地實現(xiàn)了單電機控制的一、二、三級倒立擺的多種不同動平衡姿態(tài)，并給出了詳細試驗結(jié)果;同年，張飛舟等采用相平面3西北民族大學(xué)2022級自動化3班鐘小龍分析法并結(jié)合人的控制經(jīng)驗，實現(xiàn)了一、二、三級倒立擺的擬人智能控制。2000年，楊亞煒等利用擬人智能控制成功實現(xiàn)了在傾斜導(dǎo)軌上三級倒立擺的穩(wěn)定，并可以控制三級倒立擺沿水平或傾斜導(dǎo)軌自由行走。多年來，人們對倒立擺的研究越來越感興趣，倒立擺的種類也由簡單的單級倒立擺開展為多種形式的倒置系統(tǒng)。目前研究的大局部均為二維空間即平面內(nèi)擺動的擺，另外近年來還出現(xiàn)了球擺、柔性擺、傾斜軌道式倒立擺、旋轉(zhuǎn)式倒立擺等。經(jīng)過幾十年的開展，對倒立擺這樣的一個典型被控對象的研究，無論在理論上和方法上都在不斷的更新。各種控制理論和方法都可以通過倒立擺控制系統(tǒng)得以充分實踐并且可以促成相互間的有機結(jié)合。目前倒立擺的控制方法主要可分為以下幾類:(I)線性理論控制方法將倒立擺系統(tǒng)的非線性模型進行近似線性化處理，獲得系統(tǒng)在平衡點附近的線性化模型;然后，再利用各種線性系統(tǒng)控制器設(shè)計方法得到期望的控制器PID,控制狀態(tài)反響控制、LQR控制算法，這類方法對一二級的倒立擺(線性化后誤差較小模型較簡單)控制時可以得到較好的控制效果，但對于像非線性較強模型較復(fù)雜的多變量系統(tǒng)(三四級以及多級倒立擺)，線性系統(tǒng)設(shè)計方法的局限性就十清楚顯，這就要求采用更有效的方法來進行合理的設(shè)計。(2)變結(jié)構(gòu)控制和自適應(yīng)控制方法變結(jié)構(gòu)控制是一種非連續(xù)控制，可將控制對象從任意位置控制到滑動曲面上仍然保持系統(tǒng)的穩(wěn)定性和魯棒性，但是系統(tǒng)存在顫抖。變結(jié)構(gòu)控制和自適應(yīng)控制在理論上有較好的控制效果，但由于控制方法復(fù)雜，本錢也高，不易在快速變化的系統(tǒng)上實時實現(xiàn)。(3)智能控制方法在倒立擺系統(tǒng)中用到的智能控制方法主要有神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制、模糊控制、擬人智能控制、仿人智能控制和云模型控制。神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制一一神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)能夠任意充分地逼近復(fù)雜的非線性關(guān)系，能夠?qū)W4西北民族大學(xué)2022級自動化3班鐘小龍習(xí)與適應(yīng)嚴重不確定性系統(tǒng)的動態(tài)特性，所有定量或定性的信息都等勢分布貯存于網(wǎng)絡(luò)內(nèi)的各種神經(jīng)元，故有很強的魯棒性和容錯性，但是神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制方法存在的主要問題是缺乏一種專門適合于控制問題的動態(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)性原那么等。模糊控制一一經(jīng)典的模糊控制器利用模糊集合理論，將專家知識或操作人員經(jīng)驗形成的語言規(guī)那么直接轉(zhuǎn)化為自動控制策略(通常是專家模糊規(guī)那么查詢標)，其設(shè)計不依靠對象精確的數(shù)學(xué)模型而是利用其語言知識模型進行設(shè)計和修正控制算法，常規(guī)的模糊控制器的設(shè)計方法有很大的局限性，首先難以建立一組比擬完善的多維模糊控制規(guī)那么，即使能湊成這樣一組不完整的粗糙的模糊控制規(guī)那么其控制效果也是難以保證的，但是模糊控制結(jié)合其他控制方法就可能產(chǎn)生比擬理想的效果，例如北京師范大學(xué)己經(jīng)采用模糊自適應(yīng)控制理論成功的研制了三級倒立擺裝置并對四級倒立擺系統(tǒng)做了仿真結(jié)果，接著還成功研制了四級倒立擺裝置且穩(wěn)定效果良好。但是基于這些模糊控制、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制等智能控制理論所設(shè)計的系統(tǒng)往往需要龐大的知識庫和相應(yīng)的推理機，不利于實現(xiàn)實時控制，這又阻礙了智能控制理論的開展。擬人智能控制一一它的核心是“廣義歸約〞和“擬人歸約〞是人工智能中的一種問題求解方法，這種方法是將等求解的復(fù)雜問題分解成復(fù)雜程度較低的假設(shè)干問題集合，再將這些集合分解成更簡單的集合，依此類推最終得到一個本原問題集合，即可以直接求解的問題。另一核心概念是擬人其含義是在控制規(guī)律形成過程中直接利用人的控制經(jīng)驗直覺以及推理分析。仿人智能控制一一它的根本思想是通過對人運動控制的宏觀結(jié)構(gòu)和手動控制行為的綜合模仿，把人在控制中的動覺智能模型化，提出了仿人智能控制方法研究結(jié)果說明仿人智能控制方法解決復(fù)雜強非線性系統(tǒng)的控制具有很強的實用性。云模型控制一一利用云模型實現(xiàn)對倒立擺的控制，用云模型構(gòu)成語言值，用語言值構(gòu)成規(guī)那么，形成一種定性的推理機制，這種擬人控制不要求給出被控對象精確的數(shù)學(xué)模型，僅僅依據(jù)人的經(jīng)驗、感受和邏輯判斷，將人用自然語言表達的控制經(jīng)驗，通過語盲一原子和云模型轉(zhuǎn)換到語言控制規(guī)那么器中，就能解決非線性問題和不確定性問題。(4)魯棒控制方法雖然目前對倒立擺系統(tǒng)的控制策略有如此之多，而且有許多控制策略都對倒立擺進行了穩(wěn)定控制，但大多數(shù)都沒考慮倒立擺系統(tǒng)本身的大量不確定因素和外界干擾。西北民族大學(xué)2022級自動化3班鐘小龍(5)Backstepping方法PV及其它是一種新的研究非線性系統(tǒng)的控制思想和方法，它是由Kokotovic合作者在上世紀90年代提出的，但目前用此方法研究倒立擺系統(tǒng)的成果還不多見。Backstepping是一種構(gòu)造性方法，它利用系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)特性遞推地構(gòu)造出整個系統(tǒng)的Lapunov函數(shù)，所以系統(tǒng)Lapunov函數(shù)和控制器的設(shè)計過程有較強的系統(tǒng)性、靈活性和結(jié)構(gòu)性，而且保存系統(tǒng)中有用的非線性項，加上可以控制相對階為n的非線性系統(tǒng)，消除了經(jīng)典無源設(shè)計中相對階為1的限制正因為這些優(yōu)點，后來中外學(xué)者把它廣泛地用在非線性系統(tǒng)的狀態(tài)反響控制、輸出跟蹤控制、自適應(yīng)控制、魯棒控制等領(lǐng)域的研究.一級倒立擺控制系統(tǒng)主要由以下4局部組成:1.在有限長的軌道L上作直線運動的小車;2.與小車鉸接在一起，并能在包含L的平面內(nèi)繞O點轉(zhuǎn)動的擺;3.驅(qū)動小車的直流力矩電機和轉(zhuǎn)輪、鋼絲等傳動局部;4.使擺穩(wěn)定在垂直向上的平衡位置，且使小車穩(wěn)定在軌道中心毛的控制器。一級倒立擺的結(jié)構(gòu)簡圖如圖1.1所示。倒立擺系統(tǒng)主要由計算機、A/D,D/A、電機、電位計以及一些機械部件組成。計算機作為數(shù)字控制器實現(xiàn)對系統(tǒng)的實時控制，同時也為操作者提供人機界西北民族大學(xué)2022級自動化3班鐘小龍在忽略了空氣阻力和各種摩擦之后，可將直線型一級倒立擺系統(tǒng)抽象成小車和勻質(zhì)擺桿組成的系統(tǒng)，如下圖:圖1.2.1一級倒立擺系統(tǒng)的力學(xué)示意圖將擺桿視為剛體，那么一級倒立擺系統(tǒng)的參數(shù)為:小車質(zhì)量M，擺桿質(zhì)量m，擺桿重心到鉸鏈的長度l，重力加速度g，小車位置x，擺桿角度，作用在小車上的驅(qū)動力F。當小車在水平方向運動時，假設(shè)忽略摩擦力矩的非線性，對小車和擺桿進行水平和垂直方向受力分析，如圖:西北民族大學(xué)2022級自動化3班鐘小龍圖1.2.2小車和擺桿的受力分析圖其中N和P為小車和擺桿間的相互作用力水平和垂直方向上的分量。分析小車水平方向上的合力，由牛頓運動定律可得:由擺桿水平方向的受力分析可得:即:把式子(3.3)代入(3.1)式中，就得系統(tǒng)的第一個運動方程:對擺桿垂直方向上的合力進行分析并由力矩平衡方程可得:合并這兩個方程，約去P和N，得到第二個運動方程:為了后面設(shè)計的方便我們對得到的兩個方程進行化簡和處理可得一級倒立擺系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型如下:西北民族大學(xué)2022級自動化3班鐘小龍在這里可以將倒立擺系統(tǒng)(3.8)看作是由小車和擺兩局部組成的具有兩個子系統(tǒng)的組合系統(tǒng)。倒立擺的擺系統(tǒng)控制具有高度非線性，同時考慮到實際設(shè)備長度的約束，我們必須限制小車系統(tǒng)的位移。以前大局部研究工作都是通過對倒立擺數(shù)學(xué)模型中的非線性項進行近似或忽略，從而簡化控制器的設(shè)計。我們采用基于Lapunov能量反響的方法對倒立擺進行起擺控制，這實際上是利用正反響不斷增大擺的能量。針對擺系統(tǒng)，采用Backstepping方法設(shè)計非線性控制器，但此時得到的控制器不能實現(xiàn)對小車位移的控制;因此我們結(jié)合線性控制理論的極點配置方法獲得對小車位移和速度控制的局部控制器;兩者結(jié)合那么得到整個倒立擺系統(tǒng)的一個非線性穩(wěn)擺控制器。針對直線型一級倒立擺系統(tǒng)的控制器設(shè)計方法很多，包括狀態(tài)反響控制、LQR最優(yōu)控制、模糊控制和PID控制等方法，同時各種方法的相互結(jié)合使用來設(shè)計倒立擺系統(tǒng)己經(jīng)稱為研究熱點。針對上面的直線型一級倒立擺系統(tǒng)〔x..1,x2,x3x,x4x〕，選取M2.0kg，m8.0kg，10.5m，g9.8m/s2。我們先考慮擺子系統(tǒng)的動態(tài)模型:step1令:z1x1,x2看作是系統(tǒng):的虛擬控制?，F(xiàn)在我們的控制目的就是設(shè)計虛擬反響控制;x21(x1)去鎮(zhèn)定z1為此，構(gòu)造Lapun函數(shù)v2..1(z1)(1/z12，)那么有v1(z1)z1z1z1x2。取1(x1)k1z,1k1為可設(shè)計常數(shù)，并引入誤差變量0z2x21(x1)，那么有:西北民族大學(xué)2022級自動化3班鐘小龍故假設(shè)z20，那么v1(z1)k1z120，即z1子系統(tǒng)(3.10)被鎮(zhèn)定，下面鎮(zhèn)定:z2step2對應(yīng)一個二階系統(tǒng):此時真正的控制u出現(xiàn)。這一步主要是鎮(zhèn)定z22構(gòu)造Lapunov函數(shù)V1(z1,z2)(1/2)z12(1/2)z2，那么令其中k20為設(shè)計常數(shù)，由(3.15)求得系統(tǒng)的控制輸入:20，即z1,z2子系統(tǒng)(3.13)被鎮(zhèn)定，所以代入式(3.14)，那么V(z1,z2)k1z12k2z2.進而:z10，反推之后可得x1,x20，即可得系統(tǒng)(3.9)在控制(3.16)z20，作用下被鎮(zhèn)定。而把z1x1,z2x21(x1)x2k1x1代入(3.17)可得系統(tǒng)(3.9)的控制輸入:其中的k1,k20為可設(shè)計常數(shù)，可以根據(jù)實際系統(tǒng)的具體要求進行設(shè)計，這一點也是Backstepping方法的特點和優(yōu)點之一。當取k1k2100，k1k21150時相西北民族大學(xué)2022級自動化3班鐘小龍應(yīng)的控制器:我們先對上面得到的非線性系統(tǒng)(3.8)作近似線性化?？紤]擺桿在平衡點(0)附近擺動微小，對非線性系統(tǒng)(3.8)進行局部線性化，即令cos,sin做近似處理后，就得到倒立擺的線性狀態(tài)方程.式中X[xT.1,x2,x3,x4][,,x,x]T,uF，輸出y[,x]T其中I(1/3)ml2用Matlab中的place函數(shù)得到反響矩陣:截取K3,K4局部為x3,x4的系數(shù)，那么可得西北民族大學(xué)2022級自動化3班鐘小龍兩者結(jié)合可得:該控制器可以控制擺桿保持平衡的同時，跟蹤小車的位置。注意:上述F的參數(shù)可以進一步調(diào)試。對整個倒立擺做數(shù)值仿真結(jié)果如下:圖3-4小車和擺桿的狀態(tài)響應(yīng)曲線4.1基于線性控制器對線性系統(tǒng)的離線仿真在上面所設(shè)計的直線型一級倒立擺的線性控制器該控制器的設(shè)計采用的是Backstepping方法，類似于極點配置法，設(shè)計的目的是使系統(tǒng)滿足工程師提出的瞬態(tài)和穩(wěn)態(tài)性能指標。我們利用Simulink搭建該控制器模型如圖4-112西北民族大學(xué)2022級自動化3班鐘小龍圖4-1線性控制器的Simulink模型其次構(gòu)建直線型一級倒立擺系統(tǒng)的線性系統(tǒng)的Simulink模型為圖4-2線性系統(tǒng)的Simulink框圖最后對控制器模塊和線性模型模塊進行封裝，再連接起來就是倒立擺系統(tǒng)的閉環(huán)系統(tǒng)模型，如下列圖4-3。西北民族大學(xué)2022級自動化3班鐘小龍圖4-3倒立擺閉環(huán)系統(tǒng)的Simulink框圖這樣我們就在MATLAB的Simulink環(huán)境下，搭建出狀態(tài)反響控制系統(tǒng)仿真試驗研究平臺，通過示波器可以在線觀察系統(tǒng)的狀態(tài)變化，進而可以對倒立擺閉環(huán)系統(tǒng)進行實驗仿真分析了。圖4-4倒立擺閉環(huán)系統(tǒng)的Simulink仿真曲線西北民族大學(xué)2022級自動化3班鐘小龍首先用Simulink搭建的倒立擺系統(tǒng)的非線性系統(tǒng)模型為：圖4-5倒立擺系統(tǒng)的非線性系統(tǒng)模型利用4-7建好的線性控制器模塊和上面建好的非線性系統(tǒng)模型進行封裝，再連接起來就是倒立擺系統(tǒng)的閉環(huán)系統(tǒng)模型，如下列圖4-6。圖4-6整體閉環(huán)系統(tǒng)Simulink框圖最后模型建立好后，我們就可以對倒立擺閉環(huán)系統(tǒng)進行離線仿真。如下列圖4-7。西北民族大學(xué)2022級自動化3班鐘小龍圖4-7倒立擺閉環(huán)系統(tǒng)的Simulink仿真曲線從圖4-4和圖4-7可以看出，所設(shè)計的線性控制器對線性化系統(tǒng)控制效果比對非線性系統(tǒng)的好，這說明線性控制器對非線性倒立擺系統(tǒng)的控制較差，而且實驗說明非線性控制器對系統(tǒng)的抗干擾能力和魯棒性強。4.3基于非線性控制器對非線性系統(tǒng)的離線仿真先建立非線性控制器的Simulink框圖圖4-8非線性控制器的Simulink框圖西北民族大學(xué)2022級自動化3班鐘小龍圖4-9非線性局部的Simulink框圖對非線性控制器模塊進行封裝，再與非線性系統(tǒng)模型模塊連接起來就是倒立擺系統(tǒng)的閉環(huán)系統(tǒng)模型，如下列圖4-10。圖4-10閉環(huán)系統(tǒng)的Simulink框圖最后模型建立好后，我們就可以對倒立擺系統(tǒng)進行離線仿真。如下列圖4-11。西北民族大學(xué)2022級自動化3班鐘小龍圖4-11倒立擺閉環(huán)系統(tǒng)的Simulink仿真曲線可以看出非線性控制器的控制效果很好，時間越長穩(wěn)定性越好，內(nèi)有抖動性，但收斂時間稍微有點長，但它的控制效果好，特別是對外界的抗干擾能力等。該控制算法與其他算法相比，優(yōu)缺點主要有以下幾點:〔1〕與固高公司提供的LQR最優(yōu)控制算法相比，在穩(wěn)定時間幾乎一樣，由于本文給出的算法里面含有可調(diào)參數(shù)，只要適宜的調(diào)節(jié)參數(shù)，就可以使得穩(wěn)定時間大大縮短，但這樣也會存在使控制量過大，出現(xiàn)系統(tǒng)抖動問題。另一方面本文給出的算法在抗干擾能力方面要強于LQR最優(yōu)控制算法，見最后一章的分析?！?〕與精確線性化方法比照，該方法收斂速度即穩(wěn)定時間要比精確線性化方法快，而且精確線性化方法對原系統(tǒng)進行了線性化，故理論上與實際的系統(tǒng)模型有一定的誤差。而本文設(shè)計的控制算法保存了系統(tǒng)的非線性項，控制效果好，但同時也增加了控制器的能量，響應(yīng)時間會受到影響。(3)與模糊邏輯控制理論相比，該方法收斂速度明顯要快，而且調(diào)節(jié)時間短，穩(wěn)態(tài)性能指標也比擬好?！?〕變結(jié)構(gòu)控制理論設(shè)計的控制算法使得系統(tǒng)的抖動厲害，而本文給出的算法抖動性小，而且時間越長控制效果越好。西北民族大學(xué)2022級自動化3班鐘小龍(5)本文只采用一種控制設(shè)計方法，當然與那些多種控制方法結(jié)合使用的設(shè)計方法相比存在一定的缺乏。把模糊控制和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制結(jié)合控制的效果很好，在穩(wěn)定性、抗干擾性方面優(yōu)勢都很大。事實證明:模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的BP算法比一般神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的BP算法快得多，在受干擾情況下，小車擺桿的恢復(fù)迅速。倒立擺控制系統(tǒng)作為檢驗控制理論的試金石，對于控制理論研究方面發(fā)揮著越來越重要的作用，值得進一步的研究和開發(fā)。本文主要利用Backstepping方法設(shè)計了直線型一級倒立擺系統(tǒng)控制器并基于MATLAB/Simulinkk對系統(tǒng)進行了離線仿真。本文所作的主要工作或要到達的主要目的是:(一)建立直線型一級倒立擺系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型，并利用Backstepping方法設(shè)計了該倒立擺系統(tǒng)的控制器，然后對閉環(huán)系統(tǒng)進行了數(shù)值仿真并與其他方法進行了數(shù)值仿真分析比擬。與當前的倒立擺研究成果相比，具有研究方法新穎、控制效果好的特點。(二)本文利用所設(shè)計的非線性控制器在MATLAB/Simulink環(huán)境下對系統(tǒng)進行了離線仿真分析，并與固高公司提供的算法進行了仿真效果比擬。倒立擺系統(tǒng)的種類有很多，本文只是在直線型一級倒立擺中進行了研究和分析，隨著控制理論研究的深入，必將會出現(xiàn)更多新的控制方法，而且新的控制方法的綜合使用也將是研究的熱點，那么就需要更復(fù)雜的系統(tǒng)進行檢驗，需要對更復(fù)雜的倒立擺系統(tǒng)進行研究;同時MATLAB/Simulink的廣泛應(yīng)用，必將帶來控制理論和控制實驗方面的進一步深入和豐富。西北民族大學(xué)2022級自動化3班鐘小龍[1]俞立.現(xiàn)代控制理論【M】.北京:清華大學(xué)出版社，2022.4[2]中國科學(xué)技術(shù)人學(xué)編.固高擺系統(tǒng)與自動控制實驗【Z】.2002[3]謝克明.現(xiàn)代控制理論根底【M】.北京:北京工業(yè)大學(xué)出版社，2003[4]鄧麗霞.基于Backstepping和MATLAB/Simulink的直線型一級倒立擺系統(tǒng)的控制器設(shè)計與實時控制研究【J】,2022[5]徐假設(shè)冰.基于極點配置的倒立擺控制器設(shè)計【J】,2022[6]Albertalsidori.非線性控制系統(tǒng)(第二版)【M】.比京:電子工業(yè)出版社，2022[7]宋兆基，徐流美.MATLAB6.5在科學(xué)計算中的應(yīng)用【M】.北京:清華大學(xué)出版社.2022[8]周黨偉，錢富才.直線倒立擺的穩(wěn)定控制研究【J】.西安理工大學(xué)碩士學(xué)位論文第6篇：水平三肩肘倒立單元教學(xué)設(shè)計水平三《肩肘倒立》教學(xué)設(shè)計一、教材內(nèi)容小學(xué)五年級《肩肘倒立》技巧單元二、教學(xué)目標1．使學(xué)生能知道并能說出肩肘倒立的技術(shù)要點。學(xué)會保護與幫助方法。2．80﹪的學(xué)生能用較正確的姿勢獨立完成肩肘倒立的動作，20﹪的學(xué)生能在同伴的保護和幫助下用正確的姿勢完成肩肘倒立的動作。3．培養(yǎng)學(xué)生互幫互學(xué)的良好習(xí)慣，體驗合作探究和取得成功的喜悅感。三、教學(xué)重難點1．教學(xué)重點：肩、肘、頭著墊支撐穩(wěn)，夾肘立腰，繃腳尖。2．教學(xué)難點：后倒、伸展髖、立腰動作連貫。四、組織教學(xué)方法教學(xué)法：啟發(fā)、合作、鼓勵、情境、正反示范、探究法等。五、教學(xué)流程自我介紹恩的心》手語歌3.自由活動熱身〔跳繩、毽子〕〔二〕根本局部：技巧《肩肘倒立》游戲《勝進敗退》技巧《肩肘倒立》1.將學(xué)生分成相等的四組，每人一塊墊子，分別站在墊子后面跟著教師進行專項準備活動。2.肩肘倒立的輔助練習(xí)1〕上體前倒手觸腳2〕后倒翻臀臂壓墊3〕屈肘內(nèi)收手插腰4〕伸髖挺腹腿蹬直自編踏墊操結(jié)束自由活動熱身肩肘倒立練習(xí)游戲《勝進敗退》《感1〕二人一組進行練習(xí)，相互觀察、相互保護，比比誰做的好,整個過程中保護者用手掌做標志物，練習(xí)者在練習(xí)時用腳尖觸保護者的手掌。2〕四人一組進行小比賽，學(xué)生自行評比并每組推薦出一名學(xué)生進行展示。3〕集體展示肩肘倒立。4.教師講解肩肘倒立1〕教師通過集中講解肩肘倒立的保護與幫助、動作并示范2〕組織學(xué)生兩人一組進行互幫互練3〕學(xué)生根據(jù)教師的講解示范進行分解練習(xí)上體后倒翻臀手壓墊—屈肘內(nèi)收手插腰背—伸髖挺腹腿繃直。4〕教師巡視給予指導(dǎo)糾正，找學(xué)生進行示范并點評。5〕讓學(xué)生進行完整動作的練習(xí)、展示。游戲《勝進敗退》游戲目的：開展學(xué)生下肢力量和反響的速度。準備工作：在場地上畫兩條相距40米的平行線，為起點線。游戲方法：教師可將學(xué)生分成人數(shù)相等的兩隊，各成縱隊分別站在兩條起點線后，彼此相對站好。游戲開始，教師發(fā)令后，兩隊排頭做蛙跳跳向?qū)γ嫫瘘c線，當兩人相遇時，停下來猜拳，勝者繼續(xù)向前跳，敗者退出游戲回到本隊隊尾；與此同時，敗者隊的第2人立即起跳，與勝者相遇時，停下來猜拳，依前進行，最后以先到達對方起點線的隊為勝。游戲規(guī)那么：〔1〕猜拳的負者須立即歸隊，不準阻擋對方前進?！?〕必須在猜拳后負方隊員向回跑時，負方的下一個人才能起動跳出。教法建議：〔1〕此游戲所規(guī)定的蛙跳可以改成單腳跳、倒退跑等形式進行?！?〕猜拳的方法，雙方可先定單數(shù)雙數(shù)，猜拳時，兩人各自出示手指，以和規(guī)定數(shù)相吻合的隊為勝；或者選用石頭、剪子、布的游戲方法定勝負?！踩辰Y(jié)束局部1.放松活動，在優(yōu)美的旋律、快樂的氣氛中跟著老師全身心聽著音樂，充分全面的放松。2.師生共同小結(jié)學(xué)習(xí)情況。3.下課、師生共同整理器材。六、場地器材籃球場1個小體操墊N塊電腦音箱各1臺小學(xué)五年級《體育與健康》肩肘倒立單元方案〔水平三〕教材教學(xué)目標肩肘倒立課時4課次1．使學(xué)生能知道并能說出肩肘倒立的技術(shù)要點。學(xué)會保護與幫助方法。2．80﹪的學(xué)生能用較正確的姿勢獨立完成肩肘倒立的動作，20﹪的學(xué)生能在同伴的保護和幫助下用正確的姿勢完成肩肘倒立的動作。3．培養(yǎng)學(xué)生互幫互學(xué)的良好習(xí)慣，體驗合作探究和取得成功的喜悅感。重點難點1．教學(xué)重點：肩、肘、頭著墊支撐穩(wěn)，夾肘立腰，繃腳尖。2．教學(xué)難點：后倒、伸展髖、立腰動作連貫。課次1教學(xué)目標1.學(xué)習(xí)肩肘倒立第一個分解動作〔上體前倒手觸腳〕；2.使學(xué)生初步體會動作的根本要領(lǐng)。1.學(xué)習(xí)肩肘倒立第二個分解動作〔后倒翻騰臂壓墊〕；2.使學(xué)生根本掌握動作的根本要領(lǐng)。1.學(xué)習(xí)肩肘倒立第三個分解動作〔屈肘內(nèi)收手插腰〕；