基于反馈线性化技术的旋转倒立摆复合控制方法

1

作者 樊新航 徐建军 +3 位作者 邰穗安 王怿瑾 刘俊生 董春 《机电工程》 北大核心 2025年第9期1791-1809,共19页

旋转倒立摆系统是一种强耦合、欠驱动且具有强非线性特征的非最小相位系统,针对一阶旋转倒立摆系统存在的控制复杂性和不稳定性问题,提出了一种基于反馈线性化技术的旋转倒立摆复合控制方法。首先,对于一阶旋转倒立摆这一典型非线性欠... 旋转倒立摆系统是一种强耦合、欠驱动且具有强非线性特征的非最小相位系统,针对一阶旋转倒立摆系统存在的控制复杂性和不稳定性问题,提出了一种基于反馈线性化技术的旋转倒立摆复合控制方法。首先,对于一阶旋转倒立摆这一典型非线性欠驱动非最小相位系统,采用拉格朗日-欧拉法建立了其动力学方程及数学模型,并基于反馈线性化技术,实施了优化线性化处理;然后,采用反步法和参数估计法设计了无模型反步控制器,并引入了非线性阻尼和动态面控制方法,解决了高阶系统的微分爆炸和扰动敏感问题;最后,在不同负载和运动条件下,将该控制器与传统的比例积分微分(PID)控制器、线性二次型(LQR)控制器进行了对比仿真,并使用STM32单片机作为主控制器,搭建了实物实验平台并进行了验证。研究结果表明:该控制器在30°初始偏角下的稳摆控制达到稳定的时间为0.3 s,最大稳定偏角范围扩展至76.6°。该控制方法通过多模块协同作用,增强了对非线性系统的灵敏控制能力,较传统算法具有更强的鲁棒性和动态响应特性。 展开更多

关键词 反馈线性化 旋转倒立摆 动力学分析 反步法 无模型控制 稳摆控制 动态响应特性

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基于T-S模型的小车倒立摆控制 被引量：4

2

作者 杜璧秀 张淑梅 +1 位作者 高慧斌 张玉良 《电子测量技术》 2012年第9期56-59,共4页

小车倒立摆系统作为1个典型的不稳定非线性系统,是进行控制理论教学及开展各种控制实验的理想实验平台,对小车倒立摆系统的控制分解为2部分:一部分称为"摆杆控制",采用T-S模糊模型来描述,利用系统的不确定性把系统表示成不确... 小车倒立摆系统作为1个典型的不稳定非线性系统,是进行控制理论教学及开展各种控制实验的理想实验平台,对小车倒立摆系统的控制分解为2部分:一部分称为"摆杆控制",采用T-S模糊模型来描述,利用系统的不确定性把系统表示成不确定系统的形式,设计出全局渐进稳定的模糊模型;另一部分称为"小车控制",通过对位置误差和小车速度的模糊化计算,得出控制量。最后,通过对小车倒立摆系统外加干扰信号、给定平移指令、参数摄动等实验表明,采用基于T-S模型的模糊控制,该系统可以在0.4s的时间内取得良好的控制效果,并且具有较强的鲁棒稳定性和良好的抗干扰性能。 展开更多

关键词 小车倒立摆系统 T-S模型 参数不稳定性 线性矩阵不等式

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RBF-ARX模型在倒立摆系统建模中的应用

3

作者 彭辉 廖娟娟 《控制工程》 CSCD 2008年第5期481-484,488,共5页

针对直线一级倒立摆控制系统的非线性特性,采用RBF-ARX模型对倒立摆系统的全局非线性动态特性进行建模。讨论了RBF-ARX模型结构的选取,模型参数辨识,RBF参数优化等问题。并且分别比较了该倒立摆系统的RBF-ARX模型与全局线性ARX模型,以及... 针对直线一级倒立摆控制系统的非线性特性,采用RBF-ARX模型对倒立摆系统的全局非线性动态特性进行建模。讨论了RBF-ARX模型结构的选取,模型参数辨识,RBF参数优化等问题。并且分别比较了该倒立摆系统的RBF-ARX模型与全局线性ARX模型,以及将RBF-ARX在某一工作点局部线性化后的模型与局部线性ARX模型的预测输出和模型误差,验证了RBF-ARX模型在倒立摆系统建模和辨识中的有效性。 展开更多

关键词 倒立摆 非线性系统 RBF-ARX模型

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多级旋转式倒立摆的建模与分析 被引量：7

4

作者 王永 孙颖娥 周烽 《电机与控制学报》 EI CSCD 北大核心 2004年第3期258-262,共5页

运用刚体的动力学知识对多级旋转式倒立摆系统进行了动力学分析,归纳其规律性,并推导出旋臂及各级摆杆的运动微分方程,从而获得任意级旋转式倒立摆的非线性数学模型。文中还对旋转式倒立摆系统进行了能控性分析。最后利用MATLAB对一级... 运用刚体的动力学知识对多级旋转式倒立摆系统进行了动力学分析,归纳其规律性,并推导出旋臂及各级摆杆的运动微分方程,从而获得任意级旋转式倒立摆的非线性数学模型。文中还对旋转式倒立摆系统进行了能控性分析。最后利用MATLAB对一级、二级旋转式倒立摆的控制进行了仿真,并得到较好的仿真结果。 展开更多

关键词 多级旋转式倒立摆 建模 非线性数学模型 反馈控制

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基于动态设计变量优化算法的非线性模型参数估计 被引量：4

5

作者 么健石 侯祥林 徐心和 《东北大学学报（自然科学版）》 EI CAS CSCD 北大核心 2004年第2期106-109,共4页

为消除在传统非线性模型参数估计中由于线性化引起的模型误差,提出了一种基于动态设计变量优化的非线性模型参数估计算法·该算法以每个待估计的参数为设计变量,以与设计变量相关的误差函数为目标函数,并将参数约束条件构造在目标... 为消除在传统非线性模型参数估计中由于线性化引起的模型误差,提出了一种基于动态设计变量优化的非线性模型参数估计算法·该算法以每个待估计的参数为设计变量,以与设计变量相关的误差函数为目标函数,并将参数约束条件构造在目标函数中,建立参数估计的最优化问题·针对圆形轨道倒立摆动力学模型进行参数估计,证明该算法具有很高的计算精度和较快的收敛速度,是解决非线性模型参数估计的有效方法之一· 展开更多

关键词 动态设计变量 优化算法 非线性模型 参数估计 圆轨倒立摆

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基于LQR的二级旋转倒立摆电液控制系统研究 被引量：2

6

作者 曾绍平 张超 《机床与液压》 北大核心 2015年第19期29-33,39,共6页

针对复杂环境下系统的不稳定、非线性和快速性等要求较高的特性,以及旋转式二级倒立摆相对于一级摆增加一个自由度,非线性、耦合特性和抖振更加严重的问题,通过建立理论模型,并设计了一种LQR控制器,测试确定控制参数,实现对旋转式二级... 针对复杂环境下系统的不稳定、非线性和快速性等要求较高的特性,以及旋转式二级倒立摆相对于一级摆增加一个自由度,非线性、耦合特性和抖振更加严重的问题,通过建立理论模型,并设计了一种LQR控制器,测试确定控制参数,实现对旋转式二级倒立摆系统的稳定控制。仿真结果表明:在受到人工干扰下,各个状态变量的实时变化曲线的跟踪效果较好,控制摆角的精确度达到10-3数量级,表明基于LQR方法对二级倒立摆的控制效果较为优越,为相关领域的控制问题提供了依据。 展开更多

关键词 二级倒立摆 非线性 理论模型 LQR控制器

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基于智能方法的倒立摆系统研究

7

作者 李俊芳 张振东 史晓霞 《燕山大学学报》 CAS 2001年第z1期56-60,共5页

对利用智能方法来实现对倒立摆系统的研究进行了综述,并详细论述了几种主要的倒立摆系统的控制方法,最后介绍了目前控制倒立摆的最成功的控制方案中云模型的概念,并对未来的研究方向进行了探讨.

关键词 倒立摆 非线性系统 智能控制 神经网络 云模型 神经逆模型.

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基于XZ-Ⅱ型旋转式倒立摆故障诊断器设计 被引量：1

8

作者 黄鹏 陈虹丽 李强 《实验技术与管理》 CAS 北大核心 2018年第2期94-97,102,共5页

研究使用基于模型的方法来发现一个突发故障并估计这个故障的大小。对XZ-II型旋转式倒立摆建立T-S模糊模型以及提出一种T-S模糊模型描述的非线性系统残差生成器的设计方法,以XZ-Ⅱ型旋转式倒立摆的模糊系统为基础,设计故障诊断器。利用M... 研究使用基于模型的方法来发现一个突发故障并估计这个故障的大小。对XZ-II型旋转式倒立摆建立T-S模糊模型以及提出一种T-S模糊模型描述的非线性系统残差生成器的设计方法,以XZ-Ⅱ型旋转式倒立摆的模糊系统为基础,设计故障诊断器。利用Matlab对XZ-Ⅱ型旋转式倒立摆的故障诊断器进行仿真实验,并对实验仿真结果进行分析,验证提出的故障诊断器设计方案的可行性。 展开更多

关键词 倒立摆系统 故障诊断 T-S模糊模型 非线性系统

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基于LIPM的双足机器人变步长行走规划 被引量：2

9

作者 冯帅 孙增圻 《东南大学学报（自然科学版）》 EI CAS CSCD 北大核心 2009年第S1期121-124,共4页

为了提高双足机器人步行运动的灵活性,提出了一种基于线性倒立摆模型的双足步行规划算法.该算法首先根据所要达到的步长,获得支撑腿切换时质心的位置;然后,根据线性倒立摆模型的运动特性,计算出质心到达上述位置所需要的时间;最后,根据... 为了提高双足机器人步行运动的灵活性,提出了一种基于线性倒立摆模型的双足步行规划算法.该算法首先根据所要达到的步长,获得支撑腿切换时质心的位置;然后,根据线性倒立摆模型的运动特性,计算出质心到达上述位置所需要的时间;最后,根据该时间对摆动脚用正弦曲线进行规划,使之能够在恰当的时刻到达所需的落脚点位置进行支撑脚的切换.该算法可使双足机器人在运动中变化步长,很好地提高其步行的灵活性.通过真实机器人的实验,验证了该方法的有效性和实用性. 展开更多

关键词 双足机器人 步行规划 线性倒立摆模型

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基于神经网络的非线性动力系统控制研究

10

作者 曹丽娟 和颖秋 李守巨 《科学技术与工程》 2008年第17期4891-4894,4900,共5页

基于改进BP神经网络,建立了一种自适应在线控制模型,并且该控制方法应用到离散非线性动力系统和倒立摆系统控制问题。为了避免BP神经网络在训练过程中的目标函数局部极小值问题,提出了一种基于BFGS优化算法的神经网络训练方法。与其它... 基于改进BP神经网络,建立了一种自适应在线控制模型,并且该控制方法应用到离散非线性动力系统和倒立摆系统控制问题。为了避免BP神经网络在训练过程中的目标函数局部极小值问题,提出了一种基于BFGS优化算法的神经网络训练方法。与其它控制方法相对比,所提出的基于神经网络的倒立摆控制方法具有较高的控制精度。通过离散时间系统的控制模拟和倒立摆模型系统的控制两个算例,验证了所提出的控制方法的具有有效性和很好的控制效率。 展开更多

关键词 非线性动态系统 BFGS优化算法 离散时间系统 倒立摆模型系统 全局最优解

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基于线性二次调节器算法的两轮自平衡机器人最优控制方法 被引量：6

11

作者 徐鑫 刘彬 刘东洋 《科学技术与工程》 北大核心 2021年第21期8957-8964,共8页

两轮自平衡机器人作为一种多输入多输出系统,虽然已在许多日常使用中得到应用,但大多数研究只关注通过试验实验或使用简易的数学模型来达到平衡。为了研究两轮自平衡机器人完整数学模型建模和运动平衡控制器设计,首先,根据机器人的电机... 两轮自平衡机器人作为一种多输入多输出系统,虽然已在许多日常使用中得到应用,但大多数研究只关注通过试验实验或使用简易的数学模型来达到平衡。为了研究两轮自平衡机器人完整数学模型建模和运动平衡控制器设计,首先,根据机器人的电机模型、车轮模型和摆体模型,推导机器人运动的状态空间模型;其次,分析系统的可控性和可观性,并结合状态估计和反馈控制设计具有状态估计的反馈控制器,同时引入线性二次调节器(linear quadratic regulator,LQR)控制方法以完善控制器在机器人运动中的控制效果。仿真实验结果表明:具有状态估计的反馈控制器和LQR控制方法对于这类自平衡机器人运动平衡控制具有良好的稳定性和鲁棒性。 展开更多

关键词 两轮自平衡机器人 线性二次调节器(LQR) 倒立摆 反馈控制 状态估计 状态空间模型

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基于三质点模型的仿人机器人节能步行 被引量：2

12

作者 何杰 张晓晖 +1 位作者 肖晓晖 丁加涛 《中南大学学报（自然科学版）》 EI CAS CSCD 北大核心 2020年第12期3396-3406,共11页

为了实现高能效的双足步行,提出基于三质点线性倒立摆模型(3MLIPM)的步态生成与优化策略。首先,定义表征单位能耗的步态周期(UEWC),利用三质点模型,对机器人进行运动学建模与步行能耗评估,建立机器人步行过程的能耗评价模型,分析各质量... 为了实现高能效的双足步行,提出基于三质点线性倒立摆模型(3MLIPM)的步态生成与优化策略。首先,定义表征单位能耗的步态周期(UEWC),利用三质点模型,对机器人进行运动学建模与步行能耗评估,建立机器人步行过程的能耗评价模型,分析各质量块的运动性质,提出基于质心(CoM)加速度优化的二次型步行能耗评价指标;其次,对3MLIPM进行动力学建模,将CoM运动分为稳定分量与不稳定分量,CoM最优轨迹求解转化为求解运动分量误差项,通过跟踪参考的零力矩点(ZMP)轨迹,利用无约束优化算法求解对应的能耗最低的CoM轨迹;最后,实现了步态的在线生成,并且为消除腿部质量摆动导致的躯干质心附加运动,通过二分搜索的修正算法,修正3MLIPM的步行参数输入(步长和步宽),进一步降低了双足步行的能量消耗。通过仿真和试验验证了算法的可行性和有效性。研究结果表明:提出的能耗评价指标能够表征三质点步行系统的真实能耗,并且能够用于指导最优CoM轨迹生成;利用双足稳定支撑域,可以优化参考ZMP轨迹以实现低能耗步行;通过修正三质点模型的名义步行参数输入,消除等效ZMP产生的附加运动,针对不同形式ZMP参考轨迹,修正后的三质点模型相比于传统单质点模型,可以有效降低步行能耗。 展开更多

关键词 三质点线性倒立摆模型(3Mlipm) 零力矩点(ZMP) 能量效率 双足步行 仿人机器人

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非线性系统神经网络控制方法研究

13

作者 周胜 田福庆 +1 位作者 牟晴 王汝鑫 《火炮发射与控制学报》 北大核心 2001年第3期7-11,共5页

采用神经网络理论处理非线性复杂系统,设计了控制网络的各组成部分,给出了具体算法,实现了二级倒立摆系统的稳定控制。

关键词 非线性系统神经网络控制方法 二级倒立摆系统 稳定控制 数学模型 工作原理

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基于四足机器人稳定性的对角步态规划 被引量：8

14

作者 李宏凯 李志 +2 位作者 郭朝龙 戴振东 李伟波 《机械设计》 CSCD 北大核心 2016年第1期64-69,共6页

四足机器人步态规划的合理性直接影响机器人的稳定性。文中结合虚拟腿、线性倒立摆和零力矩点原理,以占空比为0.5的对角步态为基础,在运动相过渡阶段加入10%周期的四足支撑过程。在支撑相时,用平滑的零力矩点轨迹推导出机器人质心轨迹,... 四足机器人步态规划的合理性直接影响机器人的稳定性。文中结合虚拟腿、线性倒立摆和零力矩点原理,以占空比为0.5的对角步态为基础,在运动相过渡阶段加入10%周期的四足支撑过程。在支撑相时,用平滑的零力矩点轨迹推导出机器人质心轨迹,从而得到支撑相的足端轨迹;在摆动相时,结合椭圆与三次多项式规划了足端摆动相的轨迹,保证位置和速度的连续平滑性。通过动力学分析软件仿真分析,验证了新步态的合理性。 展开更多

关键词 四足机器人 虚拟腿 线性倒立摆(lipm) 零力矩点(ZMP)

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双足机器人自然ZMP轨迹生成方法研究 被引量：1

15

作者 李春光 刘国栋 《计算机工程与应用》 CSCD 2014年第19期53-57,共5页

为了实现双足机器人类人行走,提出了一种基于自然ZMP轨迹的双足机器人步行模式生成方法。在单腿支撑相,根据基于三维线性倒立摆模型,在设定从脚跟到脚趾移动的自然ZMP轨迹后,得到质心轨迹方程;在双腿支撑相采用线性摆模型生成质心轨迹... 为了实现双足机器人类人行走,提出了一种基于自然ZMP轨迹的双足机器人步行模式生成方法。在单腿支撑相,根据基于三维线性倒立摆模型,在设定从脚跟到脚趾移动的自然ZMP轨迹后,得到质心轨迹方程;在双腿支撑相采用线性摆模型生成质心轨迹方程。同时给出了在统一坐标系中的多步规划质心轨迹方程。在RoboCup 3D仿真平台实现了采用自然ZMP轨迹的双足机器人类人稳定步行,实验和竞赛结果都验证了该方法的有效性。 展开更多

关键词 自然ZMP轨迹 双足机器人 步态规划 线性倒立摆模型 线性摆模型

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基于模糊逻辑的滑模与状态反馈加权控制 被引量：1

16

作者 刘延泉 张丽娟 +1 位作者 刘伟 赵文杰 《华北电力大学学报（自然科学版）》 CAS 北大核心 2005年第3期36-38,共3页

针对小车倒立摆系统,提出了一种基于模糊逻辑的滑模与状态反馈加权的控制方法。倒立摆摆杆角度作为模糊逻辑系统的输入,输出为滑模控制器的加权系数。滑模控制将摆角控制在一个零的邻域内,在邻域内先采用近似的线性化模型来描述系统,然... 针对小车倒立摆系统,提出了一种基于模糊逻辑的滑模与状态反馈加权的控制方法。倒立摆摆杆角度作为模糊逻辑系统的输入,输出为滑模控制器的加权系数。滑模控制将摆角控制在一个零的邻域内,在邻域内先采用近似的线性化模型来描述系统,然后采用基于极点配置的线性状态反馈来控制系统达到给定值。仿真结果表明,设计的控制器具有良好地跟踪性。 展开更多

关键词 加权控制 模糊逻辑系统 线性状态反馈 倒立摆系统 滑模控制器 线性化模型 控制方法 加权系数 描述系统 控制系统 极点配置 仿真结果 给定值 跟踪性 邻域

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基于运动发散分量的四足机器人步态规划 被引量：7

17

作者 刘明敏 曲道奎 +3 位作者 徐方 邹风山 贾凯 宋吉来 《浙江大学学报（工学版）》 EI CAS CSCD 北大核心 2021年第2期244-250,409,共8页

为了使四足机器人在出现较大的轨迹跟踪误差时仍然可以稳定运动,提出基于运动发散分量(DCM)的在线步态规划方法.将四足机器人抽象成三维线性倒立摆模型(LIPM),根据离线规划的落脚点,应用DCM方法论递推出保持DCM有界的参考轨迹;在满足步... 为了使四足机器人在出现较大的轨迹跟踪误差时仍然可以稳定运动,提出基于运动发散分量(DCM)的在线步态规划方法.将四足机器人抽象成三维线性倒立摆模型(LIPM),根据离线规划的落脚点,应用DCM方法论递推出保持DCM有界的参考轨迹;在满足步幅约束、零力矩点(ZMP)约束的条件下,步态规划运用宽松初始状态模型预测控制在线优化出可快速收敛到参考轨迹上的落脚点以及期望状态轨迹;全身运动控制器通过构建二次规划优化出满足运动约束、动力学约束、摩擦力约束等条件下跟踪期望状态轨迹的力矩.通过仿真验证以上算法,仿真结果表明:与经典模型预测控制相比,宽松初始状态模型预测控制可以承受较大的轨迹跟踪误差,四足机器人可以在出现较大的轨迹跟踪误差时以troting步态稳定运动并尽快收敛到离线规划的轨迹上. 展开更多

关键词 四足机器人 步态规划 运动发散分量(DCM) 线性倒立摆模型(lipm) 零力矩点(ZMP)

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一种提高双足机器人机动性的步行模式规划方法 被引量：3

18

作者 薛峰 陈小平 《小型微型计算机系统》 CSCD 北大核心 2012年第9期1928-1933,共6页

为提高双足机器人的机动性以适应更宽更广的应用领域,提出一种在线规划方法.该方法根据最新的控制命令生成足迹,然后利用动力学方程的解析解在线同步规划质心(CoG)轨迹和零力矩点(ZMP)轨迹,并基于离散化算法解决机器人速度改变较大时局... 为提高双足机器人的机动性以适应更宽更广的应用领域,提出一种在线规划方法.该方法根据最新的控制命令生成足迹,然后利用动力学方程的解析解在线同步规划质心(CoG)轨迹和零力矩点(ZMP)轨迹,并基于离散化算法解决机器人速度改变较大时局部ZMP轨迹的扰动问题,使其符合稳定性判据.该方法可使机器人在行走过程中一步实现任意的足迹改变,具有很高的机动性,经过在实体机器人Nao上进行效果验证并取得预期结果. 展开更多

关键词 双足机器人 同步规划 步行模式 线性倒立摆模型

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NAO机器人快速行走算法设计与实现

19

作者 甘富升 《福建茶叶》 2019年第1期252-253,共2页

本研究以NAO为依托,进行行走相关的技术研究。首先,为了更加准确地得到NAO躯干姿态信息,采取卡尔曼滤波法,对两个传感器的数据进行融合,得到躯干绕坐标轴旋转的角度,为后续的稳定性控制做好基础准备。接着,利用线性倒立摆模型,进行NAO... 本研究以NAO为依托,进行行走相关的技术研究。首先,为了更加准确地得到NAO躯干姿态信息,采取卡尔曼滤波法,对两个传感器的数据进行融合,得到躯干绕坐标轴旋转的角度,为后续的稳定性控制做好基础准备。接着,利用线性倒立摆模型,进行NAO的步态数据规划,并进行实验验证。 展开更多

关键词 卡尔曼滤波法 线性倒立摆模型 步态规划

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