一级倒立摆系统设计与LQR最优控制仿真

应用Lagrange力学,对一级倒立摆系统进行数学建模,得出了状态空间方程;设计了一级可控倒立摆系统,并对系统进行了性能分析;设计了直线一级倒立摆的LQR控制器,通过仿真和实验证明,LQR实时控制效果好,保证了系统具有良好的稳定性和鲁棒性。     

基于MATLAB的直线一级倒立摆的PID控制研究

对于倒立摆系统,由于其本身是自然不稳定的系统,实验建模存在一定困难,假设忽略掉倒立摆的一些次要因素后,那么倒立摆系统就能够看成是一个典型的运动刚体系统。介绍了直线一级倒立摆的控制机理,分析了直线一级倒立摆的建模过程,采用MATLAB对倒立摆系统进行仿真模拟实验,并对仿真结果进行分析。     

二级直线型倒立摆系统的LQR控制探析

以二级直线型倒立摆系统为研究对象,基于线性二次型调节器(Linear Quadratic Regulator,LQR)理论设计了二级倒立摆系统的控制器,并进行了数值仿真,结果表明了该方法的有效性。     

平面一级倒立摆系统的分析与控制

在介绍平面一级倒立摆数学模型的基础上,通过实验和仿真,先确定理想的加权矩阵Q和R,然后采用线性二次型最优控制LQR设计出可以精确控制平面一级倒立摆的控制器。     

高仿真直线一级倒立摆模型设计

给出了直线一级倒立摆的带有阻力效应的非线性数学模型,推导了直线一级倒立摆摆杆在摆动过程中所受到的介质阻力和摩擦力的计算公式,并利用MATLAB的S函数建立了直线一级倒立摆的高仿真模型。通过设置仿真模型的相关参数,可使仿真倒立摆与真实倒立摆的工作状态非常接近。     

直线一级倒立摆的新型控制方法研究

针对便携式直线一级倒立摆特有的系统(小车运动和摆杆运动),在单独分析了小车和摆杆的运动形式之后,设计了对两种独立运动形式进行控制的控制器,并对设计的控制器进行仿真分析,得到了一种对倒立摆系统进行实时控制的最佳控制器。     

倒立摆线性二次型最优控制方法研究

为优化倒立摆控制性能,提高系统响应的快速性和稳定性,研究了线性二次型最优控制方法。应用动力学分析方法建立单级倒立摆线性状态空间模型,设计线性二次型控制器(LQR);应用Matlab软件中LQR函数,确定倒立摆闭环控制系统状态反馈向量及最优控制目标函数,完成线性二次型状态反馈控制系统设计。时间响应分析及动态仿真结果表明,基于LQR函数设计的线性二次型状态反馈控制系统,阶跃响应上升时间2 s,调节时间5 s,实现了单级倒立摆快速、稳定控制。     

基于广义预测控制的倒立摆设计及仿真实现

倒立摆是典型的非线性、不稳定的控制对象,针对倒立摆的特点本文利用广义预测控制算法解决了直线一级倒立摆摆杆自由下垂时,保持倒立摆的自由下垂状态,并用仿真的方法研究了它们的控制性能和特点,从而实现对复杂非线性系统的实时控制,实现了倒立摆的摆起及稳定控制,起到了较好的控制效果.     

单级旋转倒立摆运动控制研究

对所设计的旋转倒立摆进行了分析,利用Lagrange方程建立了系统的数学模型。设计了双PID和LQR状态跟随运动控制器。在MATLAB中用所设计控制器对旋转倒立摆模型进行直立运动控制仿真,结果表明,LQR状态跟随器控制系统超调小,响应速度快,鲁棒性强。根据设定的Q和R,计算出LQR最优控制参数K。然后利用微控制器、H桥芯片、绝对式编码器及普通小功率直流电机完成了系统的制作,并通过实际系统验证了LQR状态跟随运动控制器的稳定性。     

环形倒立摆系统改进遗传算法的LQR控制研究

在一级环形倒立摆系统中,针对线性二次型控制器(LQR)加权矩阵Q和R选择策略的不足,提出一种通过改进遗传算法优化LQR加权矩阵Q和R的方法。该方法选取二次型性能指标J作为个体适应值,在传统遗传算法的基础上通过对交叉率和变异率按S曲线和高斯分布曲线自适应调整等策略来提高遗传算法的全局搜索能力和收敛速度,实现对Q和R矩阵的优化。仿真结果表明:用改进遗传算法优化后的一级环形倒立摆系统LQR控制具有更好的自适应性,系统连杆和摆杆的调节时间分别减少了2 s和1.5 s,有效地提高了系统的稳定性。     

三关节欠驱动体操机器人的LQR倒立平衡控制

针对欠驱动体操机器人倒立平衡控问题,给出一种基于动力学模型的三关节欠驱动体操机器人平衡控制方案.首先将三关节欠驱动体操机器人简化为一个在垂直平面上运动的三关节机器人,采用拉格朗日力学方法建立动力学模型,并推导出体操机器人系统状态方程,然后设计LQR控制器,使体操机器人稳定在不稳定的倒立平衡点,最后进行了仿真,结果表明LQR控制器实现了在两输入情况下允许的稳态误差快速响应.     

双层精密隔振平台的最优控制研究

将主动隔振技术应用到双层精密隔振系统中,设计双层主动隔振系统,建立其动力学方程和状态方程。根据精密制造和精密仪器的隔振需求,提出控制目标,建立系统的线性二次型调节器(linear quadratic regulator,LQR)最优控制模型,利用Matlab/Simulink软件进行仿真分析,在不同激励下研究主被动系统隔振对象的加速度响应大小。仿真结果表明:双层主动隔振系统的隔振效果远远优于被动隔振系统。     

改进粒子群算法在LQR半主动悬架的应用

针对车辆半主动悬架LQR控制中Q矩阵和R矩阵往往由经验取值的问题,提出一种基于改进粒子群算法的LQR控制方法。该算法采用随机惯性权重代替了传统粒子群算法的固定惯性权重,提高了求解精度和效率,得到了更加具有适应性的LQR控制矩阵系数。为验证此方法的有效性,基于天棚阻尼模型建立1/4车被动悬架模型和半主动悬架模型,利用线性二次最优控制建立LQR控制器,并利用优化算法得到新的控制矩阵。通过仿真对比被动悬架、LQR控制的LQR半主动悬架、改进粒子群算法优化后的优化LQR悬架的各项性能参数,发现优化LQR悬架在悬架动挠度没有受到影响的前提下,使车辆的垂向加速度和轮胎动载荷得到有效降低,提高了车辆的行驶平顺性和操纵安全性。     

双星编队构形保持抗干扰容错控制

为解决系统模型误差、外部干扰以及执行器故障引起的双星编队轨道控制精度低、稳定性差问题,设计一种基于观测器的抗干扰容错线性二次型调节器(LQR)控制策略。首先,根据编队双星相对运动动力学模型,设计基于双比例积分自适应律的增广观测器,同时实现对系统状态、间歇故障与快速时变故障、可建模干扰的快速精确估计,并采用H∞优化技术抑制不可建模干扰对控制系统的影响。其次,采用Lyapunov稳定性理论,保证动态误差系统渐近稳定。然后,在控制器中引入未知动态估计信息的前馈补偿项,设计闭环反馈抗干扰容错LQR控制律。最后实验结果表明,相比文献中控制方法,本文所提方法的编队卫星相对位置控制精度提高49.93%,验证了所设计的抗干扰容错LQR控制律的优越性,能够为双星编队构形保持提供精确控制策略。     

七自由度主动空气悬架最优控制的研究

在深入研究空气悬架特性的基础上,应用汽车系统动力学理论建立了新型七自由度主动空气悬架整车模型。控制方法是整个主动空气悬架控制技术的核心,对主动空气悬架的特性有着举足轻重的影响。根据二次型最优控制器的设计原理设计了主动空气悬架二次型最优控制器(LQR),同时建立了随机路面的四轮输入模型。仿真结果表明:与被动空气悬架相比,最优控制的主动空气悬架能有效控制车身垂直加速度、车身侧倾角加速度和车身俯仰角加速度。     

Design and analysis of constrained nonlinear quadratic regulator

A suboptimal dual-mode solution to constrained nonlinear quadratic regulator (CNLQR) problem is studied. In a neighborhood of the origin, the controller is formulated as an LQR based on a model obtained by linearizing the original model at the origin. Outside this neighborhood, the control law is obtained by solving a finite horizon optimization problem (FHOP) with additional terminal inequality constraints. The terminal inequality constraints make the terminal states of FHOP be driven into the neighborhood of the origin, which is a specially designed control invariant set with respect to LQR control law. The overall control law is obtained by combining that obtained by solving FHOP and that obtained form LQR. The feasibility aspect is analyzed and asymptotic stability is proven. The effectiveness of this suboptimal controller is demonstrated by simulation studies.     

一种塑制汽车离合器泵的旋转摩擦焊接工艺参数的设计方法

针对一种塑制汽车离合器总泵的上下泵体在旋转摩擦焊接工艺中焊接参数难以确定的问题,提出了一种基于旋转摩擦焊接温度的焊接参数设计方法。通过二次正交回归试验设计,采用响应曲面法,建立了由主轴主轴转速、熔接压力和旋转圈数3个焊接参数在旋转焊接时摩擦面温度的预测模型;运用差示扫描量热法获得离合器泵体材料的熔点;在分析摩擦面温度与3个焊接工艺参数的二阶响应曲面图的基础上,结合摩擦面温度的预测模型,建立了焊接参数的关联耦合模型;依据该模型即可设计合理的焊接工艺参数。通过对焊接件焊接强度的评价,验证了焊接参数设计方法的合理性。离合器泵焊接量产的合格率达95%以上,证明了该焊接参数设计方法的可行性。     

基于状态观测器的主动前轮转向研究

应用拉格朗日方程建立汽车主动前轮转向的动力学模型,并以转向盘转角、横摆角速度和侧偏角为优化目标,设计线性二次型调节器（LQR）。调节器中,通过横摆角速度和侧偏角的共同反馈控制助力电机的转角。由于质心侧偏角信号难以直接测量,设计了状态观测器对该信号进行估计。通过MATLAB进行仿真计算,结果表明, LQR优化控制能有效地改善整车的转向特性,提高汽车的操纵稳定性。     

Improving power system damping using a combination of optimal control theory and differential evolution algorithm

This paper presents a novel control strategy to improve the damping capability of sub-synchronous oscillations by tuning of Linear Quadratic Regulator (LQR) optimally in order to reduce the fluctuations in the power system. The proposed model includes the coordination of Power System Stabilizer (PSS) and Thyristor-Controlled Series Capacitors (TCSC) in combination with LQR controllers which is formulated as an optimal control problem. The problem is formulated as a linear regulator problem and then the Differential Evolution (DE) algorithm is utilized to optimize the proposed controlling parameters. Several cases have been studied to show the efficiency of the proposed strategy. Obtained results from a case study on a typical generator demonstrated that the proposed method has the best response and quickest function among conventional controller systems. Moreover, the coordination of the LQR with the other control systems, as an optimal linear regulator problem in order to damp system oscillations provides robust stability for optimizing system performance index. Besides, the flexibility and usability of the LQR controller guarantee the stability of the system to cope with the oscillations.