直線倒立擺系統(tǒng)勻速行走的伺服控制研究與實現(xiàn).pdf

1、欠驅(qū)動的自平衡運動機械系統(tǒng)的行走甚或勻速行走控制是人工智能和機器人學(xué)的重要研究課題,由于兩輪自平衡機器人的原型就是雙倒立擺系統(tǒng),并且當(dāng)前對于倒立擺系統(tǒng)的研究主要著眼于倒立平衡控制、位置控制、自擺起控制,很少考慮系統(tǒng)在倒立平衡狀態(tài)下的行走控制問題。有鑒于此,研究了直線倒立擺系統(tǒng)的勻速行走控制問題,設(shè)計了LQR控制器和模糊控制器。在直線倒立擺系統(tǒng)勻速行走的仿真實驗和實際物理系統(tǒng)的實時控制實驗上均取得了成功。這對于今后研究其他更復(fù)雜的自平衡運

2、動機械系統(tǒng)的行走控制問題甚或勻速行走控制問題(諸如多級倒立擺系統(tǒng)、兩輪自平衡機器人等的勻速行走)將起到很好的借鑒作用。 本文主要開展了以下幾方面的工作： 第一,針對直線倒立擺系統(tǒng)的勻速行走控制問題設(shè)計了LQR控制器,對直線一、二級倒立擺系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型進(jìn)行了仿真實驗。考慮到實際倒立擺系統(tǒng)實驗時倒立擺行程的限制,仿真程序中設(shè)計了自動換向開關(guān)。在選擇各種不同的速度整定值時對系統(tǒng)進(jìn)行的仿真實驗表明設(shè)計的控制器動態(tài)性能好,抗擾能力

3、強。 第二,針對直線一級倒立擺系統(tǒng)勻速行走的伺服控制問題設(shè)計了一種基于狀態(tài)變量合成的Mamdani型模糊控制算法。提出了一種基于Mamdani型的模糊控制器結(jié)構(gòu),其輸入端采用了狀態(tài)變量合成技術(shù),將直線一級倒立擺系統(tǒng)的四個狀態(tài)變量合成為兩個變量作為模糊控制器的輸入,以避免所謂的“規(guī)則爆炸”問題,考慮到控制器的通用性,將其輸入輸出論域均設(shè)計成對稱單位區(qū)間。仿真實驗表明：對于不同的速度整定值,通過適當(dāng)調(diào)節(jié)幾個比例增益環(huán)節(jié)的權(quán)值后模糊控

4、制器成功實現(xiàn)了系統(tǒng)在一段有限的行程上來回不停勻速行走的控制目標(biāo)。 第三,將設(shè)計的LQR控制器和模糊控制器分別對實驗室的直線一級倒立擺系統(tǒng)進(jìn)行了實物控制實驗,實驗結(jié)果表明LQR控制器的勻速性很好,而用模糊控制器控制倒立擺系統(tǒng)時,正負(fù)向速度存在較大的偏差。經(jīng)分析發(fā)現(xiàn),這種原因是由于系統(tǒng)在伺服控制起始時刻輕微抖動產(chǎn)生的角度測量誤差所引起的。在控制器中的角度整定值模塊中補償這個微小的角度測量誤差后進(jìn)行的實驗顯示：系統(tǒng)的速度偏移情況不再明

5、顯,這一方面說明所設(shè)計的控制器的有效性,也體現(xiàn)了角度整定值的精確性對于系統(tǒng)的控制性能而言有很大的影響。相比LQR控制器,模糊控制器控制時系統(tǒng)運行過程中位移振蕩幅度值只有前者的三分之一左右。 第四,利用所設(shè)計的LQR控制器和模糊控制器分別結(jié)合自擺起模塊后,依然能實現(xiàn)對直線一級倒立擺系統(tǒng)的起擺控制和勻速行走控制。利用三檔速度整定值(零、正負(fù)速度值)手動切換開關(guān)還能實現(xiàn)對系統(tǒng)的位置控制。 本文的研究工作得到了國家863計劃項目

6、、國家自然科學(xué)基金、北京市教委重點項目及北京市屬市管高等學(xué)校人才強教計劃資助項目等的支持,根據(jù)相關(guān)研究成果撰寫的三篇論文分別被中文核心期刊《控制工程》、《計算機測量與控制》錄用,另兩篇論文被2008建模、計算、仿真、優(yōu)化學(xué)術(shù)會議論文集和中國人工智能學(xué)會第12屆全國學(xué)術(shù)年會論文集收錄。本文的研究工作拓寬了傳統(tǒng)上的針對倒立擺系統(tǒng)的研究范疇,對一大類自平衡運動機械系統(tǒng)的勻速行走問題的研究及應(yīng)用具有積極的意義,可廣泛應(yīng)用于自動控制、機器人學(xué)等領(lǐng)