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基于MFAC的Electric Standing Scooter控制系统设计

作　者: 苗圣全
导　师: 侯忠生
学　校: 北京交通大学
专　业: 控制理论与控制工程
关键词: Electric Standing Scooter 无模型自适应控制 外环补偿
分类号: TP273.2
类　型: 硕士论文
年　份: 2011年
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内容摘要


城市机动车的快速增长导致了日益严重的交通拥堵,使得机动车的作用不能够充分发挥；另一方面,许多大型场馆等基础设施中找不到合适的代步工具,给人们带来诸多不便。而一种新型的直立代步工具——Electric Standing Scooter,以其小巧、便捷,适应多种城市交通环境等特性,令我们看到了解决上述问题的希望。Electric Standing Scooter是由电力驱动的单轴双轮结构直立代步车,具有基于动态稳定的自平衡能力。其中央微处理器通过其内置的精密固态陀螺仪获取自身姿态信息并控制电机驱动轮胎以平衡人与车的倾斜扭矩及按照倾斜方向进行运动。Electric Standing Scooter的模型与直线一级倒立摆是一致的,而对后者的控制问题,目前已有许多卓有成效的控制方法。本文旨在将无模型自适应控制方法应用于Electric Standing Scooter控制,分析该控制方案的优势,并通过倒立摆模型及倒立摆实物对所提控制方案的有效性进行验证。无模型自适应控制是一种不需受控系统数学模型及相关先验知识,仅需系统I/O数据即可进行控制器设计的方法,具有在线估计参数少,设计简单,易于实现等优点,对一些难以建模的强非线性、强耦合性系统具有良好的控制效果,具有依赖系统数学模型的控制方法无法比拟的优势。应用无模型自适应控制方法进行控制器设计不需受控系统数学模型,但为了进行仿真研究,本文通过对Electric Standing Scooter进行了分析及建模,并将倒立摆的参数代入其中,得到了用于仿真研究的受控系统数学模型。而后对PID控制方案和基于MFAC外环补偿的PID控制方案分别进行了仿真和倒立摆实物实验,最终得出了MFAC外环补偿能有效改善PID控制系统对Electric Standing Scooter的控制效果这一结论。

全文目录


致谢  5-6
中文摘要  6-7
ABSTRACT  7-10
1 引言  10-14
  1.1 采用MFAC控制Electric Standing Scooter的目的和意义  12-13
  1.2 本文主要研究内容及贡献  13-14
2 无模型自适应控制理论与方法  14-20
  2.1 无模型自适应控制的研究现状  14-15
    2.1.1 无模型自适应控制的理论研究  14-15
    2.1.2 无模型自适应控制的应用研究  15
  2.2 无模型自适应控制算法  15-19
    2.2.1 紧格式线性化及基于紧格式线性化的无模型自适应控制  15-17
    2.2.2 偏格式线性化及基于偏格式线性化的无模型自适应控制  17-18
    2.2.3 全格式线性化及基于全格式线性化的无模型自适应控制  18-19
  2.3 本章小结  19-20
3 Electric Standing Scooter的分析及建模  20-27
  3.1 Electric Standing Scooter的结构和运动分析  20-22
    3.1.1 Electric Standing Scooter的结构分析  20-21
    3.1.2 Electric Standing Scooter的运动分析  21-22
  3.2 Electric Standing Scooter的建模  22-24
  3.3 Electric Standing Scooter的控制方案  24-26
    3.3.1 PID控制方案  24-25
    3.3.2 基于MFAC外环补偿的PID控制方案  25-26
  3.4 本章小结  26-27
4 Electric Standing Scooter的仿真研究  27-40
  4.1 Electric Standing Scooter的仿真模型  27
  4.2 系统离散化  27-28
  4.3 PID控制系统仿真  28-31
    4.3.1 PID算法设计及PID控制器  28-29
    4.3.2 仿真流程  29-30
    4.3.3 PID控制系统仿真结果  30-31
  4.4 基于MFAC外环补偿的PID控制系统仿真  31-38
    4.4.1 CFDL-MFAC控制器  31-32
    4.4.2 仿真流程  32-34
    4.4.3 基于CFDL-MFAC外环补偿的PID控制系统仿真结果  34-36
    4.4.4 基于PFDL-MFAC外环补偿的PID控制系统仿真结果  36-37
    4.4.5 基于FFDL-MFAC外环补偿的PID控制系统仿真结果  37-38
  4.5 仿真结果比较  38-39
  4.6 本章小结  39-40
5 Electric Standing Scooter的倒立摆实物控制研究  40-50
  5.1 Simulink下的S-Function  40-43
    5.1.1 自动生成C MEX S-Function  40-43
  5.2 PID控制系统倒立摆实验  43-45
    5.2.1 PID控制器的S-Function  43-44
    5.2.2 PID控制系统的Simulink程序  44-45
    5.2.3 实物实验及结果  45
  5.3 基于MFAC外环补偿的PID控制系统倒立摆实验  45-48
    5.3.1 MFAC控制器的S-Function  45-47
    5.3.2 基于MFAC外环补偿的PID控制系统的Simulink程序  47-48
    5.3.3 实物实验及结果  48
  5.4 实验结果分析  48-50
6 结论与展望  50-51
参考文献  51-55
作者简历  55-57
学位论文数据集  57

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中图分类: > 工业技术 > 自动化技术、计算机技术 > 自动化技术及设备 > 自动化系统 > 自动控制、自动控制系统 > 自适应（自整定）控制、自适应控制（自整定）系统
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