两轮自平衡机器人动力学建模及其平衡控制*

针对高阶次、不稳定、多变量、非线性、强耦合的两轮自平衡移动机器人系统,采用Lagrange方程推导出动力学模型,对其进行稳定性和可控性判断,并利用LQR和龙伯格极点配置的方法在此模型的基础上对两轮自平衡机器人的姿态和速度进行控制,可获得较为稳定的动态平衡过程。给出了数学模型推导的具体步骤,分别采用以上两种方法进行了仿真研究和比较。仿真实验结果表明,这两种控制方法对机器人的稳定性控制都是有效的。其中龙伯格极点配置控制方法使系统的跟踪速度更快、稳定性更高,具有较高的实际应用价值。     

自平衡控制系统的平衡性仿真

自平衡两轮移动式倒立摆是三个自由度的强耦合和非线性的自然不稳定系统。虽然现代控制论中的状态反馈的极点配置对两轮移动式倒立摆的平衡起到了一定的控制作用,但是在现实多干扰的外界环境中,控制论中极点配置算法的控制作用就很难满足实际控制需要。针对两轮移动式倒立摆数学模型,给出详细的力学推导并在Simulink环境下,对状态反馈的极点配置法控制的两轮移动式倒立摆处于不同的坡度平衡情况进行了仿真和分析。     

基于数据融合的两轮自平衡小车控制系统设计

为解决两轮自平衡系统中传感器存在较大震动干扰与漂移误差的问题,并提高系统姿态倾角测量的精确性和实时性,提出了基于陀螺仪与加速度计数据融合的两轮系统自平衡控制方法。建立两轮自平衡系统的动力学模型,采用卡尔曼滤波算法融合陀螺仪与加速度计信号,得到系统姿态倾角与角速度最优估计值,通过双闭环数字PID算法实现两轮系统的自平衡控制。通过两轮小车自平衡控制系统的软硬件设计,成功验证了该方法的可行性与有效性。利用该方法大大提高了两轮自平衡系统的抗干扰性。     

基于高阶控制器设计的线性自抗扰控制参数调整

将反馈控制器/扩张状态观测器闭环极点配置在同一位置是线性自抗扰控制器(linear active disturbance rejection control,LADRC)最常用的整定方法.该方法只需调整两个参数,在工程应用上极为方便.但是,由于极点配置在同一位置的限制,整定的LADRC可能达不到期望的性能.本文提出以现有控制器参数为基础的LADRC调参方法.该方法以现有控制器参数为基础,通过降阶及逼近,保证LADRC控制能接近现有控制系统的性能.仿真设计表明采用高阶控制器设计的LADRC可以取得与原有控制系统相当的控制性能.该方法不受带宽法调参的需使反馈控制器及扩张观测器极点配置在同一位置的限制,因此可以期望获得比带宽法更好的性能.同时,该方法为已经熟悉掌握其他控制器设计方法的工程控制人员提供了一种便捷的调整线性自抗扰控制参数的方案,具有较好的应用价值.     

多变量系统的最优极点配置设计方法

在最优控制系统的工程设计中,选择目标函数是设计人员极为关心但却一直未能得到完善解决的难题。近些年来人们提出了一种根据希望的闭环极点来确定目标函数的设计思想及一些有关算法。本文介绍了这种设计思想及 Seheim 提出的一种在计算上易于实现的算法,导出的计算公式提高了闭环特征值接近其希望值的程度,并进一步简化了该算法。最后用这种最优极点配置和单纯的极点配置方法设计了一个直升飞机的纵向自稳定系统,籍此作一比较。     

一类不确定参数系统鲁棒稳定界的解析分析与应用

研究一类具有不确定参数系统鲁棒性稳定界的解析分析方法.在定义了鲁棒稳定界的基础上,证明了鲁棒稳定界只与标称系统的最小特征值有关.利用这一结论不仅可以方便地分析多项式的稳定性,而且可以根据系统的不确定性设计闭环控制系统的期望极点,并进行极点配置.     

时滞系统分数阶PI?? 极点配置控制器设计

利用参数空间法研究用PIλ控制器实现时滞系统的闭环极点配置问题。复平面上的阻尼角扇形区域和相对稳定度区域(该两区域构成一个梯形区域)被映射到控制器参数平面,相应的控制器参数可以将闭环极点配置在梯形区域内,从而保证所要求的系统性能。仿真结果显示,对于适当选取的分数阶PIλ控制器的参数,采用分数阶控制器可以取得比整数阶控制器更好的控制效果,从极点配置的角度揭示了分数阶控制器的优越性。     

基于高阶干扰观测器的极点配置控制器及应用

本文设计了一种可以对外部干扰进行估计的高阶干扰观测器,并针对一类具有外部干扰的单输入单输出离散时间线性系统,提出了一种基于高阶干扰观测器的极点配置控制方法.该方法由常规极点配置控制器和高阶干扰观测器组成.常规极点配置控制器用来保证闭环系统稳定,并将闭环系统的极点配置到理想位置,高阶干扰观测器用来补偿外部干扰对闭环系统的影响.理论分析以及仿真和水箱液位系统中的实验结果表明了所提方法的有效性和优越性.     

基于自抗扰控制的两轮自平衡车控制系统仿真研究

为解决两轮自平衡车因不同用户身高体重的差异造成系统模型不准确而带来控制器对系统控制稳定性能差的问题,将自抗扰控制技术运用到两轮自平衡车运动平衡控制中。首先采用拉格朗日方法建立两轮自平衡车动力学模型,然后针对系统的特性推导出实现两轮平衡车自平衡控制的自抗扰控制器控制律。最后,搭建两轮自平衡车控制系统的Simulink仿真平台,分别采用线性自抗扰控制和经典自抗扰控制方法进行了试验比较。试验结果表明:与经典自抗扰控制器相比,新的自抗扰控制器能够较好地适应身高体重变化的环境,较好地自主达到稳定运行状态。     

多变量系统的鲁棒性极点配置及其在造纸过程中的应用

本文以造纸过程为应用对象研究了多变量系统的稳定鲁棒性极点配置问题.提出了一个最佳鲁棒性能指标 r(N_T(W_A)),依据此指标利用多变量极点配置状态反馈阵的非唯一性,开发了一个最佳鲁棒性极点配置的综合算法,由该算法设计的控制系统,在设计模型存在较大误差下仍能保证实际系统具有良好的闭环性能.仿真及实际应用证明,本文所做的工作比较成功有意义,可供实用.