柔性倒立摆稳摆控制方法研究

发布时间：2017-05-20 12:03

  本文关键词：柔性倒立摆稳摆控制方法研究，，由笔耕文化传播整理发布。

【摘要】：倒立摆的运行状态同人类的行走样子类似,其平衡时的形态与火箭发射的姿态又相通,研究具有工程意义。倒立摆系统具有结构简单、构件组成参数和形状易于改变、成本低廉,且控制效果可以通过其稳定性直观地体现出来等优点。而其控制又涉及非线性、鲁棒性、镇定、随动以及跟踪等问题,因此对倒立摆系统控制方法研究具有重要的价值。本论文对柔性倒立摆稳摆控制进行研究,具体的研究工作可以归纳为以下三个方面:首先,针对加入弹簧系统的柔性倒立摆高阶次、强耦合、自然不稳定等不确定性因素,采用牛顿力学方法和拉格朗日方法建立了柔性一级倒立摆和柔性二级倒立摆的数学模型,随后对系统的性能进行分析。然后,针对柔性倒立摆稳摆控制,介绍了LQR线性二次型最优调节器及如何设计LQR控制器,介绍常规滑模变结构控制、趋近律滑模变结构控制以及变指数趋近律滑模变结构控制以及相应控制器设计。最后,基于上述控制方法,分别对柔性一级倒立摆系统和柔性二级倒立摆系统进行控制器设计及仿真。通过MATLAB仿真表明了上述控制方法的可行性,但是LQR控制方法调节时间过长,传统滑模变结构控制摆杆存在一定抖动,基于指数趋近率的滑模变结构控制控制量的输入存在一定抖振,增加了控制器的负担。而基于变指数趋近率的滑模变结构控制方法不仅保证了位置跟踪速度较快,并且控制量输入趋于平滑。
【关键词】：柔性倒立摆 LQR控制 滑模变结构 变指数趋近律
【学位授予单位】：长春工业大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TP13
【目录】：

• 摘要3-4
• Abstract4-7
• 第一章 绪论7-14
• 1.1 论文背景及研究的目的和意义7-8
• 1.2 国内外研究现状8-13
• 1.2.1 倒立摆结构的研究8-11
• 1.2.2 倒立摆控制方法的研究11-13
• 1.3 论文的章节安排13
• 1.4 本章小结13-14
• 第二章 柔性倒立摆数学模型的建立14-25
• 2.1 引言14
• 2.2 柔性一级倒立摆数学模型的推导14-19
• 2.2.1 牛顿力学方法建模15-17
• 2.2.2 拉格朗日方法建模17-19
• 2.3 柔性一级倒立摆系统的性能分析19-20
• 2.3.1 系统的稳定性分析19
• 2.3.2 系统的可控性分析19-20
• 2.4 柔性二级倒立摆数学模型的推倒20-23
• 2.5 柔性二级倒立摆系统的性能分析23-24
• 2.5.1 系统的稳定性分析23-24
• 2.5.2 系统的可控性分析24
• 2.6 本章小结24-25
• 第三章 柔性倒立摆稳摆控制方法25-31
• 3.1 线性二次型最优调节器(LQR)控制基本原理25-26
• 3.2 LQR控制器设计26
• 3.3 滑模变结构控制基本原理26-28
• 3.3.1 滑动模态的定义26-27
• 3.3.2 滑模变结构控制理论27-28
• 3.3.3 滑动模态的存在和可达条件28
• 3.4 滑模变结构控制器设计28-30
• 3.4.1 常规滑模变结构控制方法28-29
• 3.4.2 基于趋近率的滑模变结构控制方法29
• 3.4.3 基于变指数趋近率的滑模变结构控制方法29-30
• 3.5 本章小结30-31
• 第四章 柔性一级倒立摆系统控制器设计及仿真31-40
• 4.1 引言31
• 4.2 柔性一级倒立摆系统的LQR控制器设计31
• 4.3 柔性一级倒立摆系统LQR控制仿真实验及结果分析31-34
• 4.4 柔性一级倒立摆系统的滑模变结构控制器设计34-38
• 4.4.1 常规滑模变结构控制设计及仿真结果分析34-36
• 4.4.2 基于趋近率的滑模变结构控制设计及仿真结果分析36-37
• 4.4.3 基于变指数趋近率的滑模变结构控制设计及仿真结果分析37-38
• 4.5 本章小结38-40
• 第五章 柔性二级倒立摆系统控制器设计及仿真40-51
• 5.1 引言40
• 5.2 柔性二级倒立摆系统的LQR控制器设计40
• 5.3 柔性二级倒立摆系统LQR控制仿真实验及结果分析40-45
• 5.4 柔性二级倒立摆系统的滑模变结构控制器设计45-49
• 5.4.1 常规滑模变结构控制率设计及仿真结果分析45-47
• 5.4.2 基于趋近率的滑模变结构控制设计及仿真结果分析47-48
• 5.4.3 基于变指数趋近率的滑模变结构控制设计及仿真结果分析48-49
• 5.5 本章小结49-51
• 第六章 结论51-52
• 致谢52-53
• 参考文献53-57
• 作者简介57
• 攻读硕士学位期间研究成果57

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