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滑模变结构方法在两轮自平衡机器人上的应用研究

作　者: 李月
导　师: 武俊峰
学　校: 哈尔滨理工大学
专　业: 控制理论与控制工程
关键词: 两轮自平衡机器人滑模变结构控制机器人实时控制
分类号: TP242
类　型: 硕士论文
年　份: 2013年
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内容摘要

滑模变结构控制理论最早出现在上个世纪中期，其最突出的优点就是针对系统的参数摄动和外部扰动都有着良好的鲁棒性能，但本身也有不足之处，系统存在着一定的抖动现象。所以减小系统抖动是滑模变结构理论能够很好发展应用的前提。两轮自平衡机器人与倒立摆原理相似。该系统具有一定时变性、多变量性、非线性和参数不确定性。在实际应用过程中，随着环境的不断变化，路面状况和小车本身载物情况，在很大程度上会影响系统性能。本文基于两轮自平衡机器人研究和验证滑模变结构算法所设计的控制器具有良好的稳定特性，并在实时控制中得到验证。本文首先介绍了滑模变结构控制理论基础，滑模变结构控制的概念、基本原理和性质。系统经过数学建模及线性化后再把系统解耦，可以得到位移倾角系统和转弯系统。根据滑模变结构理论设计了基于指数趋近律的控制器。在此基础上对趋近律控制器进行了改进，提出了准滑模控制器和自适应滑模控制器。对两轮自平衡机器人进行MATLAB仿真，同时检验了改进后的控制器对外界抗干扰能力和系统参数不确定性的控制效果。最后经实时控制两轮自平衡机器人能够平稳的运行及转弯，从而验证了控制算法的可行性。

全文目录

摘要  5-6
Abstract  6-10
第1章绪论  10-17
  1.1 课题研究背景及意义  10-12
  1.2 国内外研究现状  12-15
    1.2.1 国外研究现状  12-14
    1.2.2 国内研究现状  14-15
  1.3 比较几种典型自平衡机器人的控制算法  15-16
  1.4 本文研究的主要内容  16-17
第2章滑模变结构控制理论  17-26
  2.1 变结构控制发展历史  17
  2.2 变结构控制设计原理和设计方法  17-21
    2.2.1 变结构控制的定义  17-18
    2.2.2 滑动模态的基本概念  18-20
    2.2.3 变结构控制系统抖动分析  20-21
  2.3 滑模控制的基本原理与性质  21-25
    2.3.1 滑动模态的基本条件  21-23
    2.3.2 滑动模态的稳定性  23-25
  2.4 本章小结  25-26
第3章滑模变结构控制器的设计  26-44
  3.1 两轮自平衡机器人的数学建模  26-28
  3.2 系统的速度分析  28-31
    3.2.1 小车轮子的速度分析  29
    3.2.2 车身速度分析  29-31
  3.3 机器人机械能分析  31-34
  3.4 拉格朗日动力学建模  34-36
  3.5 系统模型的线性化  36-39
  3.6 滑模控制器设计基本方法  39-43
    3.6.1 基于指数趋近律滑模控制器的设计  39-41
    3.6.2 基于指数趋近律滑模控制器仿真分析  41-43
  3.7 本章小结  43-44
第4章趋近律滑模控制器的改进  44-59
  4.1 准滑模控制器的设计  44-48
    4.1.1 准滑模控制器的设计  44-46
    4.1.2 准滑模控制系统的仿真  46-48
  4.2 自适应滑模控制器的设计  48-51
    4.2.1 自适应控制器的设计  48-49
    4.2.2 自适应滑模控制系统的仿真  49-51
  4.3 扰动对控制器的影响  51-53
    4.3.1 系统外部扰动对变结构控制器的影响  51-52
    4.3.2 外部扰动的仿真分析  52-53
  4.4 参数摄动对变结构控制器的影响  53-56
    4.4.1 参数摄动对变结构控制器的影响  54
    4.4.2 参数摄动的仿真分析  54-56
  4.5 实时控制  56-58
  4.6 本章小结  58-59
结论  59-60
参考文献  60-64
攻读学位期间发表的学术论文  64-65
致谢  65

滑模变结构方法在两轮自平衡机器人上的应用研究

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