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.     

倒立摆系统的自摆起和稳定控制

为了实现一级倒立摆系统自摆起和稳定控制，该文采用了最优控制与PID控制相结合的控制方法。首先，采用Bang—Bang控制理论设计开环时间最优控制器，实现倒立摆的平稳快速摆起，同时设计经典PID控制器控制小车位置；然后采取线性二次型最优控制理论设计LQR控制器，将倒立摆稳定在平衡位置。计算机仿真和倒立摆系统实时仿真表明，文中提出的控制策略和控制算法得到了很好的验证，取得了满意的效果。     

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.     

二级倒立摆摆起控制的研究

通过对二级倒立摆系统的理论分析，研究二级摆从自然悬垂位置摆到倒立点位置的摆起控制问题，提出了基于动态设计变量优化算法的复杂非线性系统控制策略．仿真实验证明，该策略可成功地实现圆轨和直轨两种二级倒立摆的摆起控制，并且算法具有较快的收敛速度和较高的计算精度．     

单神经元PID倒立摆系统

为解决双PD倒立摆控制器参数不可调的难题,利用单神经元PID控制算法简单、权值可调的特点,针对倒立摆系统,设计出基于小车位移和摆杆摆角两个回路的单神经元PID控制器。通过仿真实验研究,证明了该控制方案的可行性和有效性。最后,将该控制方案与目前常使用的双PD控制及LQR控制进行了比较。     

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。     

二级倒立摆的鲁棒建模及其鲁棒H∞最优控制

针对倒立摆系统本身存在的大量不确定性因素，建立其不确定数学模型。苦于最优控制的思想，针对二级倒立摆的参数摄动及干扰，设计了鲁棒H∞最优控制器，并在二级倒立摆实验装置上进行控制。实验结果表明；用鲁棒H∞最优控制器的二级倒立摆系统，具有很强的鲁棒稳定性和抗干扰性。     

基于DSP实现的一阶倒立摆控制

倒立摆是控制领域中典型的被控对象。本文通过智能控制算法实现倒立摆的起摆控制。当摆杆的角度进入稳定区域时,通过PID控制算法使摆杆稳定。整个控制过程由基于DSP(DigitalSignalProcessor)为核心的控制器来实现。经过实物检验,成功地实现了一级倒立摆的稳摆和起摆控制。     

单级倒立摆LQR最优控制及其嵌入式系统实现

倒立摆以其非线性特点成为控制理论分析和设计的典型实验设备.针对单级倒立摆系统,建立其数学模型,设计了线性二次型最优控制器,利用Matlab进行了仿真验证.同时,搭建了控制系统的实物实验平台,利用Z-World公司的嵌入式系统实现了该控制算法,并进行了调试,完成了倒立摆的平衡控制.并作了一些干扰实验来验证系统性能.仿真研究和实物实验的结果,表明在嵌入式控制系统中实现的LQR最优控制算法具有很好的控制效果,使倒立摆具有良好的动态性能和稳态性能.     

模糊规则控制一种绝对不稳定系统

本文设计了一个高精度、高分辨率的模糊控制器，并用以控制二阶倒立摆获得成功。提出了一种处理多变量系统的新观点，给出了模糊控制二阶倒立摆的控制规则；和一种强有力的清晰化方法，从而使模糊控制器的输出更加细腻，应用上述理论设计的高精度、高分辨率的模糊控制器，对二阶倒立摆进行实时控制获得成功。     

不确定平面二级倒立摆的鲁棒自适应控制

为提高倒立摆控制系统的抗扰动能力,降低其对未建模动态等的敏感度,研究了不确定平面二级倒立摆的鲁棒自适应控制器的设计方法。把倒立摆动力学模型分解为确定和不确定两部分,用一个非线性参数化模糊逻辑系统逼近平面二级倒立摆的不确定动态,采用李雅普诺夫稳定性理论推导出使平面二级倒立摆的状态误差渐近收敛的鲁棒控制器及自适应律。理论分析和仿真结果表明所提出的控制算法是有效的。     

直线二级倒立摆模糊算法的应用研究

针对我校智能控制实验室二级倒立摆控制规律单一的现状,对二级倒立摆控制规律进行二次开发.根据二级倒立摆多变量、非线性、强耦合、绝对不稳定的特性.本文采用两种模糊算法来实现二级倒立摆的仿真研究与实时控制.首先,提出了模糊最优控制算法,采用融合函数来解决因多变量的存在而产生的“规则爆炸问题”;其次,提出了分层模糊控制的思想,使系统更符合人类的思维逻辑,更容易控制.     

小车二级摆摆起控制器设计

研究了小车二级并行摆系统及小车二级串行摆系统的摆起控制器设计问题,并给出了这两种系统的实验结果.首先,针对上述两种系统,设计了两步控制器,即1)摆起双摆达到倒立稳摆位置的控制器,2)进行稳摆控制的控制器.其次,由于小车二级摆位移受轨道长度限制,又考虑了小车位移的控制问题.上述两种实际系统的摆起及稳摆成功,验证了所提出设计方法的有效性.     

基于混沌优化的二级倒立摆最优控制实验

为解决LQ控制多变量系统时权矩阵参数难以确定的问题,在引入一种与系统动态性能密切相关的性能指标基础上,提出了混沌全局粗搜索和局部细搜索相结合的优化LQ控制器,并且进行了二级倒立摆的实时控制.最后的实验证实了,该方法既是线性二次型泛函意义下的最优,又能解决具有快速、强非线性、绝对不稳定系统的控制问题.     

单级倒立摆的PID控制研究

对单级倒立摆系统的平衡控制问题进行了研究，分别采用PD，PI和PID三种方案实现了单级倒立摆系统的平衡控制。首先，建立系统的数学模型，然后通过仿真实验设计并整定各方案的控制器参数，将所设计的控制器分别在实际的物理设备上进行实时控制实验，都成功地实现了倒立摆的平衡控制。实际控制结果验证了各方案的正确性和有效性。     

二级倒立摆的二次型最优控制研究

倒立摆系统以其自身的不稳定性而难以控制，也因此成为自动控制实验中验证控制策略优劣的极好的实验装置。针对二级倒立摆系统的平衡控制问题，对其进行数学建模，应用二次型最优控制理论设计了控制器。仿真结果表明，二次型最优控制对于典型非线性自不稳定系统有着很好的控制能力。     

基于混合算法的二级倒立摆LQR最优控制器设计

针对遗传算法寻优的速度和精度的不足,提出采用混合算法寻优的策略。以GIP-200型二级倒立摆为控制对象进行仿真,仿真结果表明基于混合算法的最优控制器能使系统调节时间更短、精度更高,对二级倒立摆的控制效果更为理想。