环形倒立摆模型分析及控制策略研究

发布时间：2017-07-16 11:30

  本文关键词：环形倒立摆模型分析及控制策略研究

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【摘要】：倒立摆系统是一个典型的非线性、强耦合、高阶次、不确定和快速运动的自然不稳定系统,其控制目标是实现倒立摆各摆杆之间的稳定平衡,并且在不确定扰动下倒立摆系统能够快速的恢复稳定平衡状态。它是研究和验证各种控制策略的一种非常典型的实验平台,因而对它的研究具有重要的工程背景和实际意义。因此,本文对环形一级、二级倒立摆控制系进行的设计,同时进行了环形一级、二级倒立摆的控制试验。主要完成以下工作:首先,分析环形一级、二级倒立摆系统模型,利用Lagrange方法建立系统的数学模型,并对系统的能控性、能观性和相对能控性进行分析,验证系统的自然不稳定性。其次,主要围绕环形一级、二级倒立摆系统,进行了LQR控制方法的研究。在MATLAB环境中进行仿真实验,完成了对模型的稳定控制,得到了良好的控制效果。此外,利用遗传算法对LQR中参数寻优,得到最优控制参数。在此基础上,搭建环形一级、二级倒立摆实时控制模块,在实物上进行验证,证明算法的正确性及可实现性。最后,本文使用超螺旋滑模控制方法对环形一级倒立摆进行仿真实验,选择滑模面并设计滑模面参数,同时对控制器进行改进,实现了模型的稳定控制。此外,利用遗传算法对参数进行寻优,得到最优仿真的参数,可以有效地减小滑模控制中产生的抖震及其他问题。在此基础上,搭建基于滑模控制算法的实时控制模块,实现在环形一级倒立摆实物的控制。
【关键词】：环形倒立摆 LQR控制 滑模控制 超螺旋控制 抖振
【学位授予单位】：东北电力大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TP13
【目录】：

• 摘要4-5
• Abstract5-8
• 第1章 绪论8-13
• 1.1 倒立摆系统的研究意义8
• 1.2 倒立摆系统的基本理论8-9
• 1.3 倒立摆的国内外发展历史和研究现状9-12
• 1.3.1 倒立摆国内外发展历史9-10
• 1.3.2 倒立摆系统研究现状10-12
• 1.4 论文的主要工作12-13
• 第2章 环形倒立摆的建模及稳定性分析13-26
• 2.1 倒立摆系统13-14
• 2.1.1 倒立摆系统的分类13-14
• 2.1.2 环形一级倒立摆的结构及工作原理14
• 2.2 环形倒立摆系统数学模型的建立14-23
• 2.2.1 环形一级倒立摆系统数学模型15-20
• 2.2.2 环形二级倒立摆数学模型的建立20-23
• 2.3 环形倒立摆系统性能分析23-25
• 2.3.1 环形一级倒立摆系统性能分析24
• 2.3.2 环形二级倒立摆系统性能分析24-25
• 2.4 本章小结25-26
• 第3章 环形倒立摆的LQR控制器设计与实现26-36
• 3.1 引言26
• 3.2 LQR控制方法26-29
• 3.2.1 LQR控制方法原理26-27
• 3.2.2 LQR控制器的设计思路27-28
• 3.2.3 LQR控制器的设计28-29
• 3.3 LQR控制器的优化29-31
• 3.3.1 遗传算法GA29-30
• 3.3.2 遗传算法的参数控制30
• 3.3.3 LQR控制器的遗传算法优化30-31
• 3.4 基于LQR的环形倒立摆实时控制31-35
• 3.4.1 环形一级倒立摆实时控制31-33
• 3.4.2 环形二级倒立摆实时控制33-35
• 3.5 本章小结35-36
• 第4章 基于高阶滑模控制的环形一级倒立摆稳定控制及实现36-56
• 4.1 引言36-37
• 4.2 经典滑模控制理论37-41
• 4.2.1 滑模变结构控制定义37-38
• 4.2.2 滑动模态的存在及到达条件38-39
• 4.2.3 等效控制及滑动模态方程39
• 4.2.4 滑模控制器的设计39-40
• 4.2.5 抖振现象40-41
• 4.3 高阶滑模控制理论41-45
• 4.3.1 高阶滑模的定义42
• 4.3.2 二阶滑模控制42-45
• 4.4 基于超螺旋控制器的环形一级倒立摆控制系统设计45-50
• 4.5 超螺旋控制器的遗传算法优化50-52
• 4.6 基于超螺旋控制器的环形一级倒立摆实时控制52-55
• 4.7 本章小结55-56
• 结论56-57
• 参考文献57-61
• 攻读硕士学位期间发表的学术论文61-64
• 致谢64

【参考文献】

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本文编号：548491