基于Lyapunov函数的倒立摆系统设计

针对单级倒立摆，介绍了利用李雅普诺夫函数进行状态反馈的控制方案。首先对单级倒立摆建立近似线性化模型，然后利用李雅普诺夫函数设计了状态反馈控制器，并在MATLAB软件中Simulink环境下对单级倒立摆实验装置实现了实时控制，试验结果验证了该设计方法的有效性。     

Linear control of the flywheel inverted pendulum

The flywheel inverted pendulum is an underactuated mechanical system with a nonlinear model but admitting a linear approximation around the unstable equilibrium point in the upper position. Although underactuated systems usually require nonlinear controllers, the easy tuning and understanding of linear controllers make them more attractive for designers and final users. In a recent paper, a simple PID controller was proposed by the authors, leading to an internally unstable controlled plant. To achieve global stability, two options are developed here: first by introducing an internal stabilizing controller and second by replacing the PID controller by an observer-based state feedback control. Simulation and experimental results show the effectiveness of the design.     

直线二级倒立摆系统的H_∞鲁棒最优控制

针对存在模型参数不确定性和外部扰动的直线型二级倒立摆系统的稳摆控制问题,对如何实现倒立摆系统鲁棒稳定的同时,还保证其达到期望的最优控制性能和H_∞性能指标的稳定性控制问题进行了研究。基于状态反馈、最优控制和H_∞鲁棒控制方法设计了一个H∞鲁棒最优控制器,用来实现对该倒立摆系统的稳摆控制。利用设计的控制器,基于倒立摆实验平台和Matlab数值仿真平台,使用该控制器来实现系统的控制并对稳定倒立摆的过程进行了验证。研究结果表明,该控制器能较好的实现对直线型二级倒立摆的稳摆控制,并对受控系统的模型参数摄动有较好的鲁棒性,同时还能利用最优的控制作用达到期望的H_∞性能指标。     

线性二次最优算法的倒立摆系统仿真与实时控制

文章对倒立摆进行了详细的力学分析,建立了该种倒立摆的数学模型,并为系统设计了线性二次指标最优控制器。然后,通过计算机数值仿真实验,为倒立摆控制系统选取合适的性能指标和状态反馈矩阵,仿真实验结果说明,应用该状态反馈控制,能够取得了良好的控制效果。最后,文章建立了基于matlabRTW实时工具箱的倒立摆实时控制平台。通过倒立摆的实时控制实验,验证了理论分析和数值仿真的正确性。     

Predictor-based control for an inverted pendulum subject to networked time delay

The inverted pendulum is considered as a special class of underactuated mechanical systems with two degrees of freedom and a single control input. This mechanical configuration allows to transform the underactuated system into a nonlinear system that is referred to as the normal form, whose control design techniques for stabilization are well known. In the presence of time delays, these control techniques may result in inadequate behavior and may even cause finite escape time in the controlled system. In this paper, a constructive method is presented to design a controller for an inverted pendulum characterized by a time-delayed balance control. First, the partial feedback linearization control for the inverted pendulum is modified and coupled with a state predictor to compensate for the delay. Several coordinate transformations are processed to transform the estimated partial linearized system into an upper-triangular form. Second, nested saturation and backstepping techniques are combined to derive the control law of the transformed system that would complete the design of the whole control input. The effectiveness of the proposed technique is illustrated by numerical simulations.     

基于LMI优化的鲁棒控制器设计

以存在固有模型误差的单级倒立摆为被控对象,建立倒立摆的鲁棒数学模型。在不确定性因子存在的前提下,基于线性矩阵不等式方法计算得到H_∞状态反馈控制器参数K,而且给出H_∞状态反馈控制器的存在条件。通过实例仿真验证,与LQR控制相比,H_∞状态反馈控制具有更好的动态特性和抗干扰特性。     

轮式倒立摆的数学建模及状态反馈控制

轮式倒立摆是检验各种控制理论的理想模型,首先采取牛顿力学分析的方法,依次得出轮式倒立摆中直流电机、车体和摆杆动力学方程,从而基于小角度线性化方法得出轮式倒立摆的近似线性模型;然后基于Matlab进行轮式倒立摆的状态反馈控制,设计出其控制律,验证其可行性,但是轮式倒立摆的数学模型通常是经线性化处理后得出,为了提高仿真准确性,再基于虚拟样机技术,对轮式倒立摆进行Madab与ADAMS的联合仿真,仿真结果显示系统响应曲线在规定时间内迅速收敛至O附近．此结果不仅验证了联合仿真中状态反馈控制的正确性,而且表明联合仿真是控制理论研究中值得推广的方法。     

基于Bang-Bang控制的倒立摆系统摆起和镇定

针对一级直线型倒立摆对象 ,基于Bang-Bang控制和线性二次型最优状态反馈控制 ,提出了一种基于状态的切换控制策略 ,实现了倒立摆的快速摆起和镇定。最后通过仿真实验表明 ,本文提出的方法对一级直线型倒立摆系统的摆起和镇定具有较好效果     

基于自抗扰控制的转台伺服系统摩擦非线性补偿仿真研究

为克服非线性摩擦在转台伺服系统低速运行时对控制性能的影响,设计一种线性自抗扰控制器.该控制器采用线性扩张状态观测器及线性反馈,将摩擦作为系统总扰动进行实时估计,并加以补偿.基于Lugre摩擦模型建立转台伺服系统的数学模型,对这种线性自抗扰控制器进行仿真实验.结果表明,和传统PID控制器相比,所设计的控制器对非线性摩擦有良好的抑制作用,同时具有响应速度快、稳态误差小,抗扰能力强的特点.     

三级倒立摆系统全程滑模变结构控制

提出了一种基于全程滑模的变结构控制方法对具有单控制输入的三级倒立摆系统进行平衡控制的综合设计和成功的实验研究.该方法使得倒立摆系统从初始时刻开始就运行在滑模面上,从而使系统具有较强的鲁棒性.实验结果证明了该控制方法的有效性和可行性.     

基于MATLAB的T-S型模糊控制器的设计与仿真研究

Takagi-Sugeno型模糊系统非常适合于模糊建模，针对复杂的非线性系统，采用T-S模糊模型逼近非线性系统，将非线性系统模糊化为局部线性模型。利用MABLAB软件中的模糊控制工具箱，以倒立摆为模型的仿真试验，验证了方案的有效性。     

高仿真直线一级倒立摆模型设计

给出了直线一级倒立摆的带有阻力效应的非线性数学模型,推导了直线一级倒立摆摆杆在摆动过程中所受到的介质阻力和摩擦力的计算公式,并利用MATLAB的S函数建立了直线一级倒立摆的高仿真模型。通过设置仿真模型的相关参数,可使仿真倒立摆与真实倒立摆的工作状态非常接近。     

一级倒立摆系统设计与LQR最优控制仿真

应用Lagrange力学,对一级倒立摆系统进行数学建模,得出了状态空间方程;设计了一级可控倒立摆系统,并对系统进行了性能分析;设计了直线一级倒立摆的LQR控制器,通过仿真和实验证明,LQR实时控制效果好,保证了系统具有良好的稳定性和鲁棒性。     

单片机在倒立摆控制系统的应用

通过对一阶旋转倒立摆系统原理的分析,选用单片机作为控制器,直流电机作为执行器,电位器式角度传感器作为反馈环节,采用PID控制算法设计实现了一阶旋转倒立摆控制系统。实验结果表明该系统在稳定的基础上具有较强的鲁棒性,验证了PID控制算法在一阶旋转倒立摆系统中应用的可行性和有效性。     

倒立摆系统的建模及MATLAB仿真

通过建立倒立摆系统的数学模型，应用状态反馈控制配置系统极点设计倒立摆系统的控制器，实现其状态反馈，从而使倒立摆系统稳定工作。之后通过MATLAB软件中Simulink工具对倒立摆的运动进行计算机仿真，仿真结果表明，所设计方法可使系统稳定工作并具有良好的动静态性能。     

T-S模糊系统非脆弱控制研究

在考虑控制器增益存在加性摄动的情况下,基于Lyapunov函数方法,以线性矩阵不等式(LMI)的形式给出了定常T-S模糊系统非脆弱状态反馈控制器存在的充分条件。并以典型的非线性系统倒立摆为研究对象,对本文结论进行了验证。     

二级倒立摆的 LQG 最优控制研究

为实现二级倒立摆系统的稳摆控制,应用了线性二次高斯最优控制。根据LQG的分离原理,首先利用最优控制设计控制律,得到状态反馈;由于系统状态不能完全测得,而且系统也不可避免地会受到噪声的影响,在详细给出相应参数取值规则的基础上,采用了卡尔曼滤波对系统输出做出最优估计。最后的仿真结果表明,设计的控制器能够较好地对二级倒立摆进行稳定控制,且具有抑制噪声和抗干扰能力。     

滑模变结构控制在单级倒立摆系统中的应用研究

基于单级倒立摆的线性和非线性模型,分别设计了滑模变结构控制器,并对滑模运动方程的稳定性进行了分析.其中,为求取倒立摆非线性模型的等效控制和滑模运动,进行了单输入仿射非线性系统方面的研究.     

基于LQR的直线一级倒立摆最优控制系统研究

从理论和实践上对直线一级倒立摆作了深入的研究.用牛顿-欧拉方法建立了倒立摆的数学模型,在此基础上采用线性二次型最优控制方法设计了倒立摆的控制器.通过固高公司GLIP2003倒立摆系统验证了设计结果,并达到较好的控制效果.     

一类非线性系统的变结构控制器设计

将非线性系统用HM模型进行描述，并将全局HM模型表示成不确定系统形式，采用不确定系统的变结构控制器设计方法，设计出使全局HM模型渐近稳定的变结构控制器。并用一级倒立摆进行仿真验证。成功的将变结构控制应用于非线性控制系统中。