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。     

旋转二级倒立摆的控制系统设计与仿真

小车倒立摆系统是一个典型的多变量、非线性、强耦合和快速运动的自然不稳定系统,其控制问题被公认为控制理论的一个典型问题,是控制理论研究的典型实验平台.旋转二级倒立摆是一种新型的倒立摆装置,与同级的直线轨道倒立摆相比,结构简单紧凑,但模型更复杂和不稳定,对控制算法提出更高的要求,增加了控制难度.该文基于动力学理论分析旋转二级倒立摆系统的结构,建立了旋转二级倒立摆系统的数学模型状态空间方程,分析了系统的稳定性和可控性.采用二次型最优控制策略对旋转二级倒立摆系统进行控制系统设计,并借助Matlab平台进行了仿真实验.实验结果证明了其控制有效性,该控制结果与其它控制方法相比,有较优的稳态特性和快速性,系统处在较大的非平衡初始状态,旋转二级摆杆也能稳定地控制在倒立平衡位置附近.因此可以进一步扩展到多级旋转倒立摆的控制,对于实现其它不稳定系统的控制,也有着一定的借鉴价值.     

基于单片机控制的旋转倒立摆建模分析与系统设计

旋转倒立摆结构简单,但控制系统较为复杂。介绍了旋转倒立摆的结构原理,运用分析力学中的Lagrange方程建立了旋转倒立摆的线性数学模型,推导出其公式及较为准确的状态方程描述,分析了旋转倒立摆的不稳定性和可控性。设计了控制系统硬件电路及软件程序编写,对系统整个控制过程进行了数据采集、图形展示,分析了摆杆从自然下垂到摆起180°实现倒立的整个过程。系统采用离散PID调节算法进行控制,保证了系统的稳定性,融入卡尔曼滤波算法滤除可能出现的干扰信号,保证了数据的准确性。     

二级倒立摆变结构控制改进方案的对比研究

关于二级倒立摆稳定性优化控制问题,二级倒立摆是一个高度非线性系统,具有强耦合和快速运动的特点。但目前采用常规滑动模态变结构控制方法使系统出现高频抖动,导致系统存在稳定性差的问题。采用直线二级倒立摆为被控对象,通过用指数趋近律、边界层法和连续函数的趋近律三种改进方案对二级倒立摆系统进行了仿真,实验效果的对比结果表明,三种方案均能实现对二级倒立摆的稳定性有效控制,并可以使系统抖振得到抑制,为二级倒立摆稳定性设计提供了依据。     

基于非线性控制方法的倒立摆系统控制

应用非线性系统跟踪控制方法对倒立摆系统的控制进行研究.基于非线性系统控制方法对倒立摆系统摆的镇定问题、台车位置调节问题和鲁棒控制问题设计出了具体的控制器.最后给出了在所设计的各种控制器作用下系统的仿真结果,结果表明所设计的控制器对倒立摆系统的稳定控制具有良好的效果.     

倒立摆的简易现代控制

分析了ZWP-Ⅱ倒立摆系统的力学特性，将系统的状态空间描述建立在“倒立”的平衡点附近，然后进行线性化处理，得到系统的状态方程。对系统进行合理的降阶处理后，再对系统进行连续化分析设计，并由此构建状态反馈，实现倒立摆的稳定控制。它大大简化了计算，使误差减少，控制效果很好。     

基于DSP的二轮小车-倒立摆系统

为了提高倒立摆运动的自由度，同时也提高了控制难度，以便实现更多的控制内容，利用DSP的强大功能，设计了一种基于DSP的二轮小车—倒立摆系统。介绍了以DSP芯片TMS320LF2407为核心的二轮小车—倒立摆的硬件系统的开发，以及运用现代控制理论设计的控制软件，实现小车—倒立摆的倒立平稳控制和在小车—倒立摆保持倒立状态下的自由位置移动控制。控制结果表明了二轮小车—倒立摆系统的设计是成功的，原先的控制设想也是可行的。     

基于能量控制与近似输出调节的二级倒立摆起摆和跟踪控制

二级倒立摆是一个典型的欠驱动非线性系统,其控制问题具有一定的挑战性.为了解决时变参考信号下二级倒立摆的起摆和跟踪控制问题,本文提出了一种基于能量控制与近似输出调节方法的起摆和三阶控制器设计方案.首先,采用能量控制方法将第1级摆杆从下垂位置摆起到倒立位置附近;其次,采用滑模控制方法将第1级摆杆稳定在倒立位置,同时,采用等效小车与能量控制相结合的方法将第2级摆杆摆起到倒立位置附近;最后,采用基于近似输出调节理论的多项式近似方法设计三阶控制器实现二级倒立摆的位置跟踪控制.仿真和实验结果均验证了该控制方案的有效性.     

基于拉格朗日建模的单级倒立摆起摆与稳定控制

基于拉格朗日方法建立直线一级倒立摆系统的数学模型.采用能量反馈进行倒立摆的起摆控制,在平衡点附近切换并采用现代控制理论中的状态空间极点配置以实现稳定控制.仿真和实验结果表明该方法对单级直线倒立摆系统的起摆与稳定控制具有很好的效果.     

二级倒立摆在受控情况下的运动稳态分析

通过对二级倒立摆系统物理结构的分析,总结了二级倒立摆系统在受控稳定状态下可能出现的各种运动状态。在由单电机控制的二级倒立摆稳定的基础上,分析控制倒立摆系统稳定的控制量与系统稳定运动状态之间存在的关系。通过实验,得到了两级摆杆之间的3种在受控稳定下的具体运动状态,证明了二级倒立摆的运动状态与系统控制中的某些参数存在着明显的关联,并且为从理论上分析这些运动状态和控制参数之间的关系提供了一定的依据。     

单级倒立摆建模及其控制方法设计

单级倒立摆控制是一个即复杂而又对准确性、快速性要求很高的非线性不稳定系统控制问题。单级倒立摆数学模型的建立对研究其稳定性具有指导作用。用拉格朗日功能平衡法建立了倒立摆的刚体动力学方程,采用了LQR法对其进行了控制设计,并且进行了MATLAB仿真,结果表明此方法均可以成功控制倒立摆,使其稳定并具有良好的鲁棒性。     

基于模糊加权的倒立摆混合控制

针对小车倒立摆系统,提出了一种线性状态反馈控制和滑模控制模糊加权的控制方法.滑模控制器的作用是将摆角控制在零的一个邻域内,在此邻域内首先采用近似的线性化模型来描述倒立摆系统,然后采用基于极点配置的方法设计系统的线性状态反馈控制器以使系统的状态稳定在给定值,两个控制器的输出通过加权求和作为倒立摆的控制作用.仿真结果证实了该方法的有效性.     

一级倒立摆状态反馈控制系统设计

倒立摆控制系统是一个复杂的、不稳定的、非线性系统,对倒立摆系统的研究能有效的反映控制中的许多典型问题。对一级直线型倒立摆,首先运用牛顿运动定律建立倒立摆系统的运动方程,进而求出系统的状态空间表达式,建立数学模型。其次运用状态反馈极点配置法,以小车的位移、速度,摆杆与竖直向上的偏角、摆角变化速度作为四个状态变量,由给定的控制要求求出状态反馈增益矩阵,将极点配置在控制要求的位置。另外考虑到系统的某些状态如小车速度和摆杆角速度不容易直接测量等,本文分别基于小车和摆杆子系统设计了两个全维观测器,分别对状态量进行了重构并给出了仿真结果分析。     

基于RBF网络二级倒立摆系统PID控制

为解决传统PID控制SIMO系统的不足,提出在RBF网络辨识系统Jacobian阵基础上,引入kx-函数观测器的控制策略,实现PID控制参数的在线自整定。根据PID控制系统与LQR控制系统传递函数阵的等效关系,得到PID控制器的初始kp、ki、kd,解决实物二级倒立摆在初始时刻扰动大,但对稳定性要求高的矛盾。最后,仿真结果表明该方法使倒立摆系统具有快速性,稳态误差小,其控制效果要优于LQR控制,可实现二级倒立摆系统的稳定控制。     

环型二级倒立摆的控制研究与实现

通过分析环型二级倒立摆系统的动力学特性,将系统的状态空间方程在“倒立”的 平衡点附近进行线性化处理,应用线性二次型最优控制策略,对环型二级倒立摆进行控制器 的设计与仿真实验,并成功地将所设计的控制器应用到实际的环型二级倒立摆系统上,使其 稳定地平衡在“倒立”状态．所做应用与实际实验在国内尚未见到报道．     

Big Bang-Big Crunch optimized hierarchical sliding-mode control of X-Z inverted pendulum

The control of the X-Z inverted pendulum is a challenging work since the X-Z inverted pendulum is an underactuated, open-loop unstable and multi-input-multi-output (MIMO) nonlinear system. In this paper, we will present a novel state transformation method for the X-Z inverted pendulum and Big Bang–Big Crunch (BBBC) optimized hierarchical sliding-mode control (HSMC) structure. We will firstly show that through the proposed transformation, the model of the X-Z inverted pendulum can be transformed to a typical underactuated form. Thus, based on the obtained system model, the hierarchical sliding-mode control (HSMC) can be directly applied in the trajectory tracking control of the X-Z inverted pendulum. Then, to ensure a convergent performance of the auxiliary sliding surfaces, the BBBC method is applied to obtain the optimal coupling factors for the HSMC. The control performance of the proposed BBBC based HSMC structure is compared with that of the present SMC and the HSMC with particle swarm optimization (PSO). Simulation results show the effectiveness of the proposed controllers for the X-Z inverted pendulum.     

平面两级倒立摆的分析、控制器设计与实现

对基于XY平台的平面两级倒立摆进行了运动学和动力学分析，由于系统具有很强的非线性以及耦合等特性，需要在其平衡点附近线性化，以得到系统的近似线性状态方程。然后分析了系统的可控性，并根据状态方程采用线性二次最优控制LQR方法设计控制器。仿真结果说明，倒立摆系统可以得到很好的稳定效果。最后进行了多次实验，倒立摆都可以稳定很长时间，而且可以施加一定的干扰，具有较好的鲁棒性。实验结果说明，此方法是有效可行的。     

二级倒立摆状态反馈控制器设计优化方法

设计了一种二级倒立摆的状态反馈控制器。研究了一种基于单纯形算法的参数优化方法。首先给出了二级倒立摆系统模型并分析了系统特性,设计了状态反馈控制器,提出基于ITAE(Integrated Time&Absolute Error)性能指标应用单纯形优化方法对状态反馈控制参数进行优化设计,以快速准确地得到状态反馈阵,并利用固高GLIP2002型直线倒立摆系统进行仿真分析和二级倒立摆系统控制实验,实现了二级倒立摆优化控制。提出的一种如何寻找使系统稳定且具有较好性能的状态反馈控制参数这一控制领域重要问题的解决方法,避免了极点配置法手动试凑方法调试参数困难的问题,对非线性、强耦合运动体的控制具有理论意义和应用价值。     

一种基于非线性滤波的倒立摆控制方法研究

对于倒立摆这样的强非线性系统,采用传统的BP算法存在着收敛速度慢、易陷入局部极小值的缺陷,而采用卡尔曼滤波方法则会带来很大的模型误差。为了解决上述问题,提出了基于粒子滤波优化神经网络的方法。首先建立了倒立摆神经网络控制器的物理模型并将模型粒子化,而后用粒子滤波算法对粒子进行优化估计,将估计结果作为网络的权值应用到倒立摆控制中,采用离线训练方式,仿真比较了卡尔曼滤波和粒子滤波两种方法控制效果,结果表明,新算法较卡尔曼滤波方法在控制性能上有明显提高。