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三阶倒立摆系统基于能量的控制

作　者: 魏伟
导　师: 林威
学　校: 哈尔滨工业大学
专　业: 控制科学与工程
关键词: 三阶倒立摆系统 非线性欠驱动系统 能量控制 切换控制
分类号: TP13
类　型: 硕士论文
年　份: 2009年
下　载: 54次
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内容摘要


倒立摆系统是一种典型的非线性欠驱动复杂难控系统,对倒立摆的研究可归结为对非线性多变量、欠驱动、绝对不稳定系统的研究。倒立摆系统的控制策略和理论的研究无论对控制理论的发展还是对实践中实时控制策略与技巧的研究都有很好的促进作用,同时,各种非线性控制理论的形成与发展,也往往以倒立摆系统作为实践的检验平台,以验证理论的正确性、有效性和在实时控制中的应用问题,因而,倒立摆系统被看成是检验各种控制理论和方法的有效试金石。本文给出了小车三阶倒立摆的物理模型和数学描述,建立了它的仿真模型,探讨了该系统的运动控制特性。针对三阶倒立摆系统的特点,将倒立摆的控制过程分成了两个阶段:摆起阶段和稳摆阶段。通过对倒立摆系统动力学特性的分析,以能量控制为基础设计了三阶倒立摆的摆起控制器,并且利用LQR反馈控制方法设计了三阶倒立摆的稳摆控制器,最终通过一个切换控制策略完成了倒立摆的摆起倒立控制,并通过仿真证明了该控制策略行的有效性。

全文目录


摘要  4-5
ABSTRACT  5-6
ACKNOWLEDGEMENTS  6-9
NOMENCLATURE  9-10
Chapter 1 Introduction  10-15
  1.1 Research Objectives and Significance  10-11
  1.2 Background  11-12
  1.3 New Trends of the Inverted Pendulum Control  12-13
  1.4 Contribution and Thesis Overview  13-15
Chapter 2 Dynamic Model of the Triple Inverted Pendulum  15-24
  2.1 Model Research  15-20
    2.1.1 Physical Model  15-16
    2.1.2 Mathematical Model  16-19
    2.1.3 Simulation Model on Simulink  19-20
  2.2 Simulation Analysis of Dynamic Characteristics  20-21
  2.3 Linearization, Controllability and Observability  21-22
  2.4 Summary  22-24
Chapter 3 Energy Based Control Strategy  24-36
  3.1 Overview of Energy Based Control  24-28
    3.1.1 Development History of the Inverted Pendulum Control  24-25
    3.1.2 Energy Based Control  25-26
    3.1.3 Passivity and Dissipativity  26-28
  3.2 The Cart-Pole System  28-35
    3.2.1 System Model  28-30
    3.2.2 Passivity of the Inverted Pendulum  30-31
    3.2.3 Stabilization Algorithm  31-32
    3.2.4 Stability Analysis  32-35
  3.3 Summary  35-36
Chapter 4 Controller Design and Stability Analysis  36-44
  4.1 Design of the Swingup Controller  37-40
  4.2 Stability Analysis  40-41
  4.3 Design of the Balance Controller  41-42
  4.4 Switched Controller  42
  4.5 Summary  42-44
Chapter 5 Simulation Analysis of the System  44-48
  5.1 Simulation  44-47
    5.1.1 Simulation Frame  44-45
    5.1.2 System Simulation and Analysis  45-47
  5.2 Summary  47-48
Chapter 6 Conclusions  48-49
REFERENCES  49-52

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中图分类: > 工业技术 > 自动化技术、计算机技术 > 自动化基础理论 > 自动控制理论
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