單級倒立擺的起擺與穩(wěn)定控制系統(tǒng)設計

13299字 40頁 原創(chuàng)作品，已通過查重系統(tǒng)



摘 要

倒立擺是機器人技術、計算機控制以及控制理論多個領域、幾種技術有機的結合，其被控系統(tǒng)本身又是一個多變量、高階次、絕對不穩(wěn)定、強耦合的非線性系統(tǒng)，可以當作一個典型的控制對象進行研究。
倒立擺的起擺控制問題因為輸入、輸出關系的非線性特點許多經典的線性控制理論都不適用，而現(xiàn)今研究出來比較成功的起擺方法有擬人控制起擺、能量控制起擺等。實驗室中普遍應用固高公司的倒立擺器件，固高實控系統(tǒng)中倒立擺起擺算法為能量起擺，該算法中能量初始數值的設定以及實時更新、起擺與穩(wěn)擺之間切換條件的設置都可以影響倒立擺的起擺是否成功以及穩(wěn)擺階段系統(tǒng)的性能，研究發(fā)現(xiàn)，該算法中存在部分問題從而導致倒立擺系統(tǒng)擺桿起擺失敗。本文是針對固高能量起擺控制方法中出現(xiàn)的偶爾撞墻現(xiàn)象以及起擺不成功的問題的，提出一種修改算法，對固高的起擺算法進行優(yōu)化，并實現(xiàn)了單級倒立擺系統(tǒng)的快速起擺。討論了切換條件對倒立擺起擺的影響，在經過大量實驗，算出切換條件的閾值，研究出當擺桿角度超過該范圍時，倒立擺無法通過切換裝置達到穩(wěn)擺階段。并最終給定一個合適的切換數值，使倒立擺從起擺階段到平穩(wěn)切換到穩(wěn)擺階段并實現(xiàn)快速穩(wěn)定。


關鍵詞：單級倒立擺；能量控制；起擺；優(yōu)化算法；LQR；切換條件