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平面二级倒立摆的控制策略研究

张蛟龙

   倒立摆系统是自动控制领域典型的实验设备,它具有多变量、非线性、强耦合等特点,平面二级倒立摆是倒立摆系统中较难控制的一种,对它的稳定控制在工程上具有重要的应用价值。 本文以平面二级倒立摆为研究对象,进行了倒立摆稳定控制策略研究,设计了四种可稳定倒立摆系统的控制器,并用MATLAB仿真验证了所设计控制器的有效性。运用分析动力学方法对倒立摆建立数学模型,并在平衡位置线性化处理得到系统X、Y两个方向解耦的多变量线性化模型。在此基础上,本文首先设计了平面二级倒立摆的三回路PD控制器,并利用极点配置方法确定控制器参数,实现了多变量系统的PID控制。接着将性能协调因子引入二次型最优控制理论中,设计了LQR自调整控制器。它能根据状态变量的变化实时调整控制作用的大小,进而对LQR输出的预控制作用进行优化,改善了控制效果,并实现了小车位置跟踪参考输入。在基本模糊控制基础上,本文设计了参数自调整模糊控制器,可根据误差大小自动调整量化因子和比例因子参数,最终达到倒立摆的稳定控制。以滑模变结构控制为基础,结合模糊系统进一步设计了能模糊调整趋近速率,对切换控制进行模糊逼近的自适应模糊滑模控制器(FSMC)。李亚普诺夫函数(Lyapunov)证明了控制器的稳定性,仿真研究表明控制器削弱了抖振,并具有较好的快速性和鲁棒性。 将三回路PD控制器和LQR自调整控制器用于固高平面二级倒立摆系统进行实物实验,实验结果验证了控制器是有效的,并具有较快的响应速度和良好的稳定性。……   
[关键词]:平面二级倒立摆;三回路PD控制器;性能协调因子;自适应模糊滑模控制器
[文献类型]:硕士论文
[文献出处]:河南理工大学2010年
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