雙輪自平衡小車的建模與控制方法研究.pdf

1、雙輪自平衡小車是一個(gè)基于輪式倒立擺模型的實(shí)際應(yīng)用系統(tǒng)。它的機(jī)體結(jié)構(gòu)通常包含車體、底盤、輪系，組成簡(jiǎn)單，體積小，運(yùn)動(dòng)靈活，但其動(dòng)力學(xué)系統(tǒng)具有多變量、非線性、強(qiáng)耦合、參數(shù)不確定等特性，是一類非完整的和欠驅(qū)動(dòng)的非平衡系統(tǒng)。因而雙輪自平衡小車有很強(qiáng)的控制理論研究意義。本文就雙輪自平衡系統(tǒng)模型進(jìn)行控制方法的研究。
　　本文在充分分析國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀的基礎(chǔ)上，通過牛頓定律，對(duì)雙輪自平衡小車系統(tǒng)建立非線性系統(tǒng)模型。根據(jù)研究方向?qū)ο到y(tǒng)模型進(jìn)行解耦，

2、得到系統(tǒng)直線運(yùn)動(dòng)模型。對(duì)非線性模型進(jìn)行線性化，采用了局部反饋的精確線性化方法，經(jīng)過對(duì)其可控矩陣條件數(shù)研究，得出反饋線性化模型是相比較于泰勒級(jí)數(shù)與直接線性化方法更逼近于原非線性系統(tǒng)。并在此線性模型的基礎(chǔ)上，分析系統(tǒng)的可控性、客觀性、穩(wěn)定性。
　　本文的重點(diǎn)是雙輪自平衡小車系統(tǒng)的控制方法的設(shè)計(jì)，主要以極點(diǎn)配置與變結(jié)構(gòu)控制為研究方向?？刂品椒ǖ脑O(shè)計(jì)模型便為反饋線性化得到的線性模型。根據(jù)現(xiàn)代控制理論，極點(diǎn)配置是一種控制簡(jiǎn)單、易于實(shí)現(xiàn)且控制

3、高效的方法，根據(jù)此方法，在系統(tǒng)偏離平衡點(diǎn)某一鄰域時(shí)，都可以得到滿意的控制。但其對(duì)于非線性系統(tǒng)以及實(shí)際中存在的環(huán)境干擾、參數(shù)擾動(dòng)等情況，極點(diǎn)配置的控制效果往往不如人意，故而本文又從變結(jié)構(gòu)控制著手研究。根據(jù)變結(jié)構(gòu)控制的基本理論可知，變結(jié)構(gòu)控制有著很好的魯棒性，但會(huì)存在明顯的抖振現(xiàn)象。因此在最基本的變結(jié)構(gòu)控制的基礎(chǔ)上，改善抖振現(xiàn)象。首先采用基于指數(shù)趨近律的變結(jié)構(gòu)控制，可以觀測(cè)到抖振明顯減弱。為進(jìn)一步改善控制效果，將基于指數(shù)趨近律的控制改為模糊