倒立摆的输出反馈控制:脆弱性和鲁棒性分析

对具有非最小相位的不稳定对象设计了H∞输出反馈控制器，从脆弱性和鲁棒性这两方面对设计结果进行了分析。指出该控制器的极点和传递函数对于控制器系数微小变化的灵敏度并不高，不是脆弱性问题。分析指出这种基于混合灵敏度的H∞设计对未建模动态缺乏鲁棒性，这会导致实际系统不能稳定工作。文中还给出了本例中H∞输出反馈。     

倒立摆摆角全程控制的增益调度方法

倒立摆摆角全程控制需要解决倒立摆摆角大范围变动以及倒立摆最低点和最高点之间不存在平衡点的大范围角度区域的控制问题。本文提出的增益调度方法在倒立摆最高点具有平衡点的邻域内使用了自抗扰控制器ADRC，在最低点及不存在平衡点的大范围角度区域使用基于Lyapunov理论的控制律。通过基于调度变量8的插值算法协调这两种控制律的变换，避免了控制量的突变，实现了控制器参数在大范围角度下的选择。仿真结果说明了这种方法的有效性。基于Lyapunov的增益调度可以解决不存在平衡点的大范围变动工况内的非线性控制问题。     

旋转式倒立摆计算机控制系统

研究了一种新型的倒立摆系统,该装置是由连在直流力矩电机转轴上的驱动臂和能自由旋转的摆杆构成,驱动臂在电机的作用下能在垂直平面内旋转,能过驱动臂的转动来保持摆杆稳定在平衡位置,运用动力学原理建立了该系统的数学模型,在此基础上借助于计算机辅助设计软件,进行了仿真研究,设计出控制律,最后实现旋转式倒立摆计算机控制。     

倒立摆控制系统的设计与研究

运用线性系统理论设计控制器,实现了单级倒立摆系统的平衡控制。首先建立了控制对象的数学模型,然后采用状态空间全状态反馈的极点配置法设计控制器,并在Matlab环境下对控制系统进行了仿真研究,最后在实际设备上完成了实时控制实验。仿真和实控都成功地实现了对系统的平衡控制,实验结果也充分展现了控制系统的动态特性、稳态性能和鲁棒性,充分证明了控制器设计的正确性与有效性。     

A Java/Matlab-based environment for remote control system laboratories: illustrated with an inverted pendulum

In this paper, a novel environment is described that provides 24-h-a-day access to a Web-based lab for the remote control of different didactic setups. The control of an inverted pendulum is used to demonstrate the use of such an environment. The main attributes of this Web-based lab are: 1) the on-line interactivity with the didactic setup, 2) the possibility of defining different experiments by using parameter files, and 3) the open architecture of the environment which allows easy development of new experiments with other didactic setups. The structure of this Web-based lab not only provides students with quantitative information feedback but also allows visual supervision. Now, a remote-controlled camera plays an important role within a remote experimentation environment with mobile parts. Students can handle the camera on-line, just as they can control the didactic setup over the Internet.     

Control of an inverted pendulum using grey prediction model

A system with partial unknown structure, parameters, and characteristics is called a grey system. The grey theory can be employed to improve the control performance of a system without sufficient information or with highly nonlinear property. In this paper, a grey prediction model combined with a proportional plus derivative controller is proposed to balance an inverted pendulum, which is a classic example of an inherently nonlinear unstable system. The control objective is to swing up the pendulum from a stable position to an unstable position and bring its slider back to the origin of the track. The overall control algorithm is decomposed into two separate grey model controllers for swinging up and balancing, respectively, based upon the angular and velocity values of the pendulum. The experimental results show that this grey model controller is able to swing up and balance the inverted pendulum and guide its slider to the center of the track. It also has the robustness to balance the inverted pendulum at an upright position in suffering an external impact acting on the pendulum     

基于模糊控制的旋转倒立摆系统

针对倒立摆系统的非线性、不稳定的控制问题,研究了旋转倒立摆系统的构成和数学模型,对旋转倒立摆系统在平衡点附近进行了可控性分析,提出了一种新的基于模糊控制器进行控制的方法,建立了相应的控制规则,进行了实时控制和研究。实验结果表明,该系统具有鲁棒性、稳定性好和算法简单的特点,可以应用在实时性要求较高的场合。     

倒立摆的模型和控制问题

小车-倒摆系统常用四阶的运动方程来描述。但如果小车是交流伺服电机来驱动的，交流伺服电机需要和它的控制系统构成一个闭环系统才能工作，使小车的运动受到约束，系统的动态方程退化成为二阶。文中对该系统的特性作了详尽的分析，并指出这样的实验装置适合于研究二阶不稳定对象的镇定问题。     

分层模糊控制在两轮移动式倒立摆中的应用

为解决模糊多变量控制中规则数随系统变量数呈指数增长的问题,针对两轮移动式倒立摆运动的特点,提出了一种分层模糊控制器的设计方法,不仅减少模糊规则数而且使模糊控制逻辑变得清晰明了,其中控制参数采用遗传算法整定。仿真结果证实了该方法的控制效果好,系统跟踪速度快。     

A motion control for two-wheel inverted pendulum type of mobile manipulator

Two-wheel inverted pendulum type of mobile manipulator has no casters and it is expected that quick and robust motion may be realized according to road surface. However the dynamical behavior is so complicated from a viewpoint of motion stability. To address this issue, this paper describes a motion control strategy to realize a stable pushing operation of the two-wheel inverted pendulum type of mobile manipulator. Here the manipulator platform is considered as a passive joint and a stabilization control of the passive joint is achieved by using null space motion of the mobile manipulator. Then workspace observer is also employed to obtain the robust null space motion.The proposed approach is verified by several numerical and experimental results. Copyright © 2009 Institute of Electrical Engineers of Japan. Published by John Wiley & Sons, Inc.     

基于改进SAC的倒立摆控制算法研究

针对倒立摆系统控制过程中易受外界干扰和自然不稳定的特点,以及深度强化学习SAC算法采样数据利用率较低和随机离线策略网络收敛较慢的问题,提出了一种结合近端经验采样和优化策略网络结构的改进算法PRER＿SAC。构建神经网络拟合函数,策略网络使用性能更优的Mish函数作为激活函数,设置自调节温度系数以增强智能体的探索能力;设计远、近两个经验池,及一种改变数据存放频率的训练策略,提高数据样本的利用率。通过仿真实验对比,所提方法在同等训练次数下所得回报值和算法收敛速度优于DDPG和SAC算法,同传统控制方法PID和LQR相比,有更好的控制效果。最后,对训练好的智能体加入角度扰动,可在2 s内被消除抑制,证明提出的算法具有较强的适用性。     

二级倒立摆的递阶模糊神经网络控制

为了表明模糊神经网络控制器比较适合于控制快速、多变量、强非线性、绝对不稳定系统，可以克服用模糊神经网络控制多变量系统时的规则组合爆炸问题。本文提出用递阶模糊神经网络控制二级倒立摆。这种方法可以有效地减少多变量输入的模糊神经网络控制器的规则数，有利于利用专家的控制经验初始化网络参数，从而有利于下一步利用遗传算法对其进行优化。实验结果表明：与线性最优控制相比，本文方法的控制效果好、鲁棒性强。     

基于根轨迹校正法的倒立摆控制系统设计

针对倒立摆系统的稳定控制问题,提出了一种根轨迹校正方案.建立控制对象的数学模型,运用经典控制理论的根轨迹校正法完成控制系统的设计,在Matlab环境下对控制系统进行了仿真实验,并对该方案的要点进行了归纳性总结.仿真结果表明,该方法不仅成功实现了系统的稳定控制,也满足了期望的性能指标,从而充分证明了方案的正确性与有效性.     

一级倒立摆模糊PID控制器设计

一级倒立摆是一个典型的非线性、强耦合、多变量的不稳定系统,为了控制它的平衡性,首先对系统进行分析,建立数学模型。然后在模糊PID控制器的设计过程中,分析了模糊PID控制器的控制原理;确定了模糊语言变量和隶属函数;制定了模糊规则和解模糊的方法。最后利用Matlab中的Simulink和Fuzzy工具箱对一级倒立摆模型进行仿真研究。实验结果表明,模糊PID控制器具有很好的控制效果。     

基于T-S模型的小车倒立摆控制

小车倒立摆系统作为1个典型的不稳定非线性系统,是进行控制理论教学及开展各种控制实验的理想实验平台,对小车倒立摆系统的控制分解为2部分:一部分称为"摆杆控制",采用T-S模糊模型来描述,利用系统的不确定性把系统表示成不确定系统的形式,设计出全局渐进稳定的模糊模型;另一部分称为"小车控制",通过对位置误差和小车速度的模糊化计算,得出控制量。最后,通过对小车倒立摆系统外加干扰信号、给定平移指令、参数摄动等实验表明,采用基于T-S模型的模糊控制,该系统可以在0.4s的时间内取得良好的控制效果,并且具有较强的鲁棒稳定性和良好的抗干扰性能。     

多级旋转式倒立摆的建模与分析

运用刚体的动力学知识对多级旋转式倒立摆系统进行了动力学分析,归纳其规律性,并推导出旋臂及各级摆杆的运动微分方程,从而获得任意级旋转式倒立摆的非线性数学模型。文中还对旋转式倒立摆系统进行了能控性分析。最后利用MATLAB对一级、二级旋转式倒立摆的控制进行了仿真,并得到较好的仿真结果。     

倾斜轨道上的三级倒立摆数学模型的建立与可控性研究

给出倾斜轨道上的三级倒立摆机构的动能、势能和损耗能，利用拉格朗日方程推导出倾斜轨道上的单电机控制的三级倒立播理论上的数学模型。给出了线性化状态方程、可观性矩阵的秩和可控性矩阵的秩及条件数，并进行原理性数学仿真．仿真结果表明，直接利用系统的全部状态进行线性反馈，三级倒立摆在有些初始条件下是稳定的，而在另一些初始条件下又是不稳定的。这表明三级倒立摆是可观、可控但又是难控制的．     

脉冲检测技术在倒立摆系统中的应用

倒立摆控制系统对外部干扰信号非常敏感,并且对状态反馈量的精确度要求较高。为了提高系统反馈量的精确度,设计了一种采集以及统计旋转光电编码器脉冲信号的方案。该设计方案以STM32为核心,并设计了二阶低通滤波器、脉冲整形电路以及其他辅助电路。在实验中,分别测试了不同转速下光电编码器输出的脉冲信号。实验结果表明,该方案有效地解决了脉冲高频干扰、波形边缘振荡以及脉冲畸形的问题。此外,通过拉格朗日建模法建立了一级倒立摆的数学模型,并设计了基于此数学模型的倒立摆LQR控制器。最后,在实物系统中观察了摆杆角度实时变化曲线,间接验证了该脉冲信号采集方案的有效性。     

基于线性二次最优LQR的直线倒立摆控制系统研究分析

以自动控制领域典型的实验、教研设备-倒立摆系统作为研究对象,通过对控制原理分析、数学建模分析、状态反馈设计、MATLAB仿真,然后在搭建的实验平台上用LQR方法编程实现对其最优控制。系统成功起摆与保持倒立控制的实现,验证了建模的正确性与控制方式的有效性。