倒立摆系统的自摆起和稳定控制

为了实现一级倒立摆系统自摆起和稳定控制，该文采用了最优控制与PID控制相结合的控制方法。首先，采用Bang—Bang控制理论设计开环时间最优控制器，实现倒立摆的平稳快速摆起，同时设计经典PID控制器控制小车位置；然后采取线性二次型最优控制理论设计LQR控制器，将倒立摆稳定在平衡位置。计算机仿真和倒立摆系统实时仿真表明，文中提出的控制策略和控制算法得到了很好的验证，取得了满意的效果。     

非线性倒立摆起摆和稳定控制研究

该文深入研究了直线倒立摆的摆起和稳定控制。通过两种方法对倒立摆非线性模型进行线性化得到线性化模型。第一种方法是利用微分几何李导数理论，对坐标和输入输出进行变换，然后在局部进行线性化得到一个线性化模型；另一种方法直接在平衡点附近进行线性化得到线性化模型。最后用MATLAB仿真和实物控制分别证明了能量反馈理论和稳定控制理论具有良好的控制效果，且通过Lie理论对系统进行坐标变换得到线性化模型比略去高阶项得到的线性化模型具有更好的鲁棒性和控制效果。     

环形一级倒立摆摆起及稳定控制研究

本文通过拉格朗日方程推导出环形一级倒立摆系统的数学模型,用能量方法对该模型进行摆起控制;在倒立摆成功摆起后,在倒立平衡点对系统模型进行线性化,并用线性二次型最优控制(LQR)算法对倒立摆线性化模型进行稳定控制。仿真结果表明本文给出的控制方法是有效的。     

基于能量反馈的圆轨倒立摆摆起控制

基于拉格朗日方程建立圆轨倒立摆单摆模型,根据能量反馈控制理论,设计圆轨倒立摆摆起控制器,从而使摆杆从稳定平衡点摆起到不稳定平衡点并稳定不倒。采用具有流水线指令结构CIP-51控制器内核的C8051单片机实现控制算法。实验结果表明,采用能量反馈控制器可以对具有复杂非线性、强耦合、自然不稳定特性的倒立摆系统实现摆起控制,摆起效果良好。同时也为其他非线性多变量系统的控制提供了有效方法。     

三级倒立摆的自动摆起与稳定控制

采用非线性逆系统轨迹控制实现三级倒立摆的自动摆起,并设计了变增益LQR控制器将其稳定在竖直倒立位置.首先,三级倒立摆从静止下垂状态摆起到竖直倒立位置的过程,从数学角度看是一个两点边值问题,通过求解该两点边值问题获得摆起的标称轨迹,利用逆系统方法设计前馈控制,同时结合增益调度反馈控制使摆起过程稳定;其次,在稳定控制阶段,...     

基于T—S模糊模型的LQR控制器设计

基于T-S模糊模型的平行分配补偿控制器设计方法,结合线性二次型最优控制方法,设计了一个倒立摆系统状态反馈控制器.控制方法有效地将线性系统理论与模糊控制理论结合起来,可处理某些复杂的非线性自不稳定系统控制问题.针对倒立摆是一个非线性、不稳定、强耦合系统,利用MATLAB对其进行仿真实验,结果表明上述方法能够控制倒立摆稳定.TS-LQR控制器结合了模糊控制和LQR方法的优点,具有结构简单、易于实现以及稳定范围大、鲁棒性好的优点,可获得较好的动态性能和稳态性能.     

基于能量控制与近似输出调节的二级倒立摆起摆和跟踪控制

二级倒立摆是一个典型的欠驱动非线性系统,其控制问题具有一定的挑战性.为了解决时变参考信号下二级倒立摆的起摆和跟踪控制问题,本文提出了一种基于能量控制与近似输出调节方法的起摆和三阶控制器设计方案.首先,采用能量控制方法将第1级摆杆从下垂位置摆起到倒立位置附近;其次,采用滑模控制方法将第1级摆杆稳定在倒立位置,同时,采用等效小车与能量控制相结合的方法将第2级摆杆摆起到倒立位置附近;最后,采用基于近似输出调节理论的多项式近似方法设计三阶控制器实现二级倒立摆的位置跟踪控制.仿真和实验结果均验证了该控制方案的有效性.     

基于分段遗传算法的倒立摆摆起控制研究

针对倒立摆摆起这类复杂非线性系统的优化控制问题,提出了一种基于遗传算法的近似全局最优化的控制方法.在导轨长度和控制力受限的情况下,从倒立摆的物理特性出发,以摆杆进入上半平面前的最后一次角速度为零的时刻为分界时刻,将摆起过程分成两个阶段,分别使用自适应交叉、变异算子的遗传算法搜索每个阶段的最优控制决策,实现了1.9 s内一级倒立摆的成功摆起.这种方法可以简化控制规则,优化摆起时间,并使摆杆更加平稳地进入稳摆控制.仿真和实时控制实验,说明该方法是可行的.     

车轨长度受限的并行双摆能量控制

采用牛顿-欧拉方法建立并行二级倒立双摆系统的数学模型.针对车轨长度受限的并行二级倒立摆系统,本文提出了一种基于能量控制思想和直接李雅普诺夫函数方法的摆起控制策略.所设计的控制器保证了小车的速度收敛到零和摆杆在达到垂直向上的位置时摆杆的能量为零.同时,它能实现对并行双摆的稳摆控制.控制器简单易行,参数调节方便.在并行二级倒立摆摆起控制器设计的基础上,简述了三级车摆的摆起控制器设计过程.最后,通过计算机仿真验证了控制方法在工作效率和抗干扰方面能保持良好的控制性能.     

旋转二级倒立摆的二次型最优控制研究

针对多变量、非线性和强耦合的旋转二级倒立摆系统,采用分析力学理论分析旋转二级倒立摆系统的结构,建立了旋转二级倒立摆系统的数学模型状态空间方程,分析了系统的稳定性和可控性.将系统的状态空间方程在平衡点附近进行线性化处理,分别采用线性二次型最优控制策略LQR及LQY方法对旋转二级倒立摆系统进行控制系统设计,并借助Matlab平台进行了仿真实验研究.对控制结果进行了详细分析研究,对于实现其他不稳定系统的控制,有着一定的借鉴价值.     

Global stabilization of the unstable Reaction-Wheel Pendulum

The paper deals with the problem of the Reaction Wheel Pendulum stabilization about unstable (inverted) position for arbitrary initial conditions. Considered mechanical system consists of a physical pendulum with a symmetric disk attached to the end of the pendulum, which is free to spin about an axis parallel to the axis of rotation of the pendulum. The disk is actuated by a DC-motor. The coupling torque generated by the angular acceleration of the disk is used to control of the pendulum. The switching control law is proposed to swinging up the pendulum and balancing it about the inverted position. The nonlinear swinging up control law is proposed ensuring global stabilization of the pendulum about inverted position. The Energy-based Speed-gradient (EBSG) control scheme is used to designing the swinging-up controller. The modification of the EBSG method is proposed to ensure attainability of the inverted position of the pendulum for all initial states of the system. The balance controller is designed on the basis of the Variable Structure Control with forced sliding mode. Numerical simulation results are presented showing achievement of the posed control goal by means of the control action of small magnitude.     

非线性倒立摆系统平衡点反馈控制参数的优化计算

本文基于圆轨倒立摆非线性系统模型,建立了平衡点状态反馈控制参数的高精度优化算法,编制计算程序确定出反馈控制参数,并对圆轨倒立摆平衡点的实例控制.与将系统线性化后的反馈参数的计算分析相比,本文研究方法具有较大平衡范围.仿真与实例平衡控制都表明了本文研究方法的可行性.     

倒立摆的简易现代控制

分析了ZWP-Ⅱ倒立摆系统的力学特性，将系统的状态空间描述建立在“倒立”的平衡点附近，然后进行线性化处理，得到系统的状态方程。对系统进行合理的降阶处理后，再对系统进行连续化分析设计，并由此构建状态反馈，实现倒立摆的稳定控制。它大大简化了计算，使误差减少，控制效果很好。     

基于拉格朗日建模的单级倒立摆起摆与稳定控制

基于拉格朗日方法建立直线一级倒立摆系统的数学模型.采用能量反馈进行倒立摆的起摆控制,在平衡点附近切换并采用现代控制理论中的状态空间极点配置以实现稳定控制.仿真和实验结果表明该方法对单级直线倒立摆系统的起摆与稳定控制具有很好的效果.     

A new controller for the inverted pendulum on a cart

This paper presents a complete solution to the problem of swinging‐up and stabilization of the inverted pendulum on a cart, with a single control law. The resulting law has two parts: first, an energy‐shaping law is able to swing and maintain the pendulum up. Then, the second part introduces additional control to stop the cart and it is based on forwarding control with bounded input. The resulting control law is the sum of both parts and does not commute between different laws although there exist switches inside the controller. Copyright © 2008 John Wiley & Sons, Ltd.     

三级倒立摆的LQR方法优化参数控制

倒立摆是智能控制的理想对象。使用拉格朗日方程建立三级倒立摆系统的非线性数学模型,在平衡点处对其线性化,利用LQR（Linear Quadratic Regulator）最优控制理论,导出控制规律。通过对三级倒立摆一系列稳定摆动和加扰实验仿真曲线的分析,明确了加权矩阵Q中各权系数对系统稳定性控制的重要性,由此来优化权系数的选择。实验表明,系统显示出较好的鲁棒性和动态性能。     

Simulation studies of inverted pendulum based on PID controllers

The inverted pendulum problem is one of the most important problems in control theory and has been studied excessively in control literatures. When a control system have more than two PID controllers, the adjustment of PID parameters is not an easy problem. In this paper, PID controllers are applied to the stabilization and tracking control of three types of inverted pendulum. The way how to design the PID controllers is given step by step in this paper. Simulation results prove that the way to design of PID controllers is very simple and effective. The system design not only can realize stabilization and tracking control of three types of inverted pendulum, but also have robustness to outer large and fast disturbances.