倒立擺系統(tǒng)建模與控制方法研究.pdf

1、倒立擺作為一個多變量、非線性、不穩(wěn)定的典型系統(tǒng),是控制領域重要的研究對象,是驗證各種控制算法的理想模型;很多抽象的概念如系統(tǒng)的穩(wěn)定性、可控性、可觀性、魯棒性和系統(tǒng)的抗干擾能力等,都可以通過對倒立擺的控制直觀的表現(xiàn)出來。針對倒立擺控制方法的研究對兩輪自平衡小車及其它相似實驗設備的開發(fā)都具有重要的研究意義。
　　本文通過對直線一級和二級倒立擺物理模型的分析,介紹了拉格朗日建模方法并分別對其進行數(shù)學建模;然后提出了基于MATLAB軟件的

2、SimMehanics工具箱的建模方法,建立了直線一級和二級倒立擺的機構模型,經過對比分析,這種方法相比牛頓力學原理和拉格朗日方法更加方便、快捷、準確。
　　基于直線二級倒立擺的SimMehanics模型,本文在介紹了直線倒立擺的不同控制方法,提出了一種基于卡爾曼濾波的LQR控制算法,采用卡爾曼濾波器作為觀測器來觀測系統(tǒng)的實時狀態(tài),對系統(tǒng)輸出作最優(yōu)估計,從而達到抑制噪聲的目的;經過實驗對比,這種復合控制優(yōu)于單獨采用LQR時的控制效

3、果,并能很大程度的降低系統(tǒng)噪聲和測量噪聲對倒立擺穩(wěn)定性的影響。
　　在控制理論課程的教學中,可采用虛擬現(xiàn)實技術作為輔助手段來實現(xiàn)倒立擺的實時控制。利用VRML建立倒立擺系統(tǒng)的虛擬現(xiàn)實場景,并使動力學模型驅動虛擬現(xiàn)實場景;在與控制器進行集成后,利于MATLAB/RTW工具箱生成實時運行的仿真程序;生成系統(tǒng)運動的三維動畫,將原來抽象、枯燥的學習內容,用圖像、動畫和聲音等多種媒體表現(xiàn)形式展現(xiàn)在課堂上,提高了控制理論的教學質量,有利于促進