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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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云模型在倒立摆控制中的应用 被引量：38
2
作者 陈晖 李德毅 +1 位作者 沈程智 张飞舟 《计算机研究与发展》 EI CSCD 北大核心 1999年第10期1180-1187,共8页
文中提出一种利用云模型有效地实现单电机控制的三级倒立摆动态平衡的方法．通过研究倒立摆系统的定性控制机理，给出了定性和定量之间转换的云模型的形式化表示，用来反映语言值中蕴涵的模糊性和随机性，解释多条定性规则同时被激活的... 文中提出一种利用云模型有效地实现单电机控制的三级倒立摆动态平衡的方法．通过研究倒立摆系统的定性控制机理，给出了定性和定量之间转换的云模型的形式化表示，用来反映语言值中蕴涵的模糊性和随机性，解释多条定性规则同时被激活的不确定性推理过程．研究成果不仅可用于对太空飞行器以及机器人控制。 展开更多
关键词 倒立摆 云模型 定性推理 航空航天器 动态平衡
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基于模糊动态模型的二级倒立摆系统的分析和设计 被引量：11
3
作者 姚宏伟 梅晓榕 +1 位作者 杨振强 庄显义 《控制理论与应用》 EI CAS CSCD 北大核心 2001年第2期224-227,233,共5页
首先给出了一种离散系统模糊动态模型的辨识方法 ,提出了一个衡量聚类有效性的函数 ,以确定模糊规则的数目 .并给出一个保证模糊系统全局稳定的充分条件 ,在此基础上给出了模糊控制系统的设计方法 ,并对二级倒立摆系统进行了控制 。
关键词 模糊动态模型 模糊聚类 二级倒立摆系统 模糊控制系统
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不平整地面上双足机器人的步态控制 被引量：5
4
作者 李建 陈卫东 +2 位作者 王丽军 杨军 李慕君 《东南大学学报（自然科学版）》 EI CAS CSCD 北大核心 2009年第S1期129-133,共5页
提出了一种不平地面环境下双足机器人的步行控制算法.该算法由步态规划和传感器反馈控制系统组成.在步态规划中,采用被动倒立摆模型设计双足机器人的质心位置,所生成的步态使机器人能够在平地上更自然有效地稳定行走.在线反馈控制系统... 提出了一种不平地面环境下双足机器人的步行控制算法.该算法由步态规划和传感器反馈控制系统组成.在步态规划中,采用被动倒立摆模型设计双足机器人的质心位置,所生成的步态使机器人能够在平地上更自然有效地稳定行走.在线反馈控制系统用于处理地面环境的凹凸不平以及来自外界的未知扰动,可分为上身姿态控制、期望ZMP控制以及非线性落地控制3个部分.这3种控制分别针对不同的控制目标,并根据步行过程的具体阶段在线修正预先规划好的步态,维持双足机器人的步行稳定性.它们在结构上相互耦合,从而实现加速在线反馈控制系统的收敛速度、克服机器人柔性对控制作用的负面影响等效果.双足机器人在凹凸地面的步行实验验证了所提出步行控制算法的有效性. 展开更多
关键词 双足机器人 步态规划 步态控制 被动倒立摆模型
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倒立摆的模型和控制问题 被引量：5
5
作者 王广雄 张静 +1 位作者 罗晶 许万平 《电机与控制学报》 EI CSCD 北大核心 2004年第3期247-249,262,共4页
小车-倒摆系统常用四阶的运动方程来描述。但如果小车是交流伺服电机来驱动的,交流伺服电机需要和它的控制系统构成一个闭环系统才能工作,使小车的运动受到约束,系统的动态方程退化成为二阶。文中对该系统的特性作了详尽的分析,并指出... 小车-倒摆系统常用四阶的运动方程来描述。但如果小车是交流伺服电机来驱动的,交流伺服电机需要和它的控制系统构成一个闭环系统才能工作,使小车的运动受到约束,系统的动态方程退化成为二阶。文中对该系统的特性作了详尽的分析,并指出这样的实验装置适合于研究二阶不稳定对象的镇定问题。 展开更多
关键词 倒立摆 实验装置 交流伺服电机 数学模型
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基于线性二次型最优控制策略的倒立摆实验系统搭建 被引量：9
6
作者 李劲松 颜国正 +1 位作者 冯剑舟 宋立博 《实验室研究与探索》 CAS 北大核心 2010年第3期38-40,60,共4页
以自动控制领域典型的实验、教研设备——倒立摆系统作为研究对象,在建立了倒立摆系统数学模型的基础上,采用线性二次型最优策略进行控制,并利用MFC实现了人机交互,自主搭建了一套直线型一级倒立摆实验系统。系统的成功起摆与保持倒立... 以自动控制领域典型的实验、教研设备——倒立摆系统作为研究对象,在建立了倒立摆系统数学模型的基础上,采用线性二次型最优策略进行控制,并利用MFC实现了人机交互,自主搭建了一套直线型一级倒立摆实验系统。系统的成功起摆与保持倒立控制的实现,验证了建模的正确性与控制方式的有效性。 展开更多
关键词 倒立摆实验系统 建模 线性二次型最优控制 系统搭建
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直线柔性连接两级倒立摆控制器设计 被引量：8
7
作者 吴昊 秦志强 +2 位作者 朱学峰 向少华 史步海 《控制工程》 CSCD 2003年第6期497-499,共3页
倒立摆系统是一个复杂的、非线性的、不稳定的高阶系统。倒立摆的控制一直是控制理论及应用的典型课题。分析了如何利用拉格朗日方程对直线柔性连接两级倒立摆系统建模,采用LQR法设计最优控制器,进行了具体架构以及阐述了此系统设计的... 倒立摆系统是一个复杂的、非线性的、不稳定的高阶系统。倒立摆的控制一直是控制理论及应用的典型课题。分析了如何利用拉格朗日方程对直线柔性连接两级倒立摆系统建模,采用LQR法设计最优控制器,进行了具体架构以及阐述了此系统设计的控制器在实际物理系统中的实现问题。所设计的控制器对此倒立摆系统成功实施了控制,既证明了系统建模的正确性,也是倒立摆控制中的一项重大突破。相关研究成果将在航天科技及机器人学等领域发挥重要作用。 展开更多
关键词 控制理论 直线柔性连接两级倒立摆 控制器 设计 系统建模
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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
8
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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基于状态空间极点配置的倒立摆平衡控制 被引量：13
9
作者 崔平 翁正新 《实验室研究与探索》 CAS 2003年第2期70-72,共3页
对GIP-100-L单轴倒立摆实验系统的平衡控制问题进行了研究。建立了系统的数学模型,运用状态空间全状态反馈极点配置方法设计控制器,在MATLAB上进行仿真,在实际系统上进行了调试,实现摆杆的平衡控制。仿真及实验结果表明本文的设计方法... 对GIP-100-L单轴倒立摆实验系统的平衡控制问题进行了研究。建立了系统的数学模型,运用状态空间全状态反馈极点配置方法设计控制器,在MATLAB上进行仿真,在实际系统上进行了调试,实现摆杆的平衡控制。仿真及实验结果表明本文的设计方法是有效的。 展开更多
关键词 倒立摆实验 平衡控制 数学模型 状态空间 极点配置
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多级旋转式倒立摆的建模与分析 被引量：7
10
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SimMechanics的单级倒立摆建模和仿真 被引量：3
11
作者 詹长书 孙世磊 +3 位作者 葛强 丁玮琛 郭柯 高峰 《森林工程》 2014年第6期63-66,共4页
倒立摆本身是一个多变量、强耦合、非线性和不稳定系统,通过倒立摆可以检验各种控制策略的可行性,是一个理想的研究控制理论平台。利用Sim Mechanics环境下对单级倒立摆系统的控制问题进行仿真研究。建立单级倒立摆的数学模型,基于数学... 倒立摆本身是一个多变量、强耦合、非线性和不稳定系统,通过倒立摆可以检验各种控制策略的可行性,是一个理想的研究控制理论平台。利用Sim Mechanics环境下对单级倒立摆系统的控制问题进行仿真研究。建立单级倒立摆的数学模型,基于数学模型建立了Sim Mechanics仿真模型,并进行起摆控制。起摆后切换成PID、极点配置和状态反馈(LQR)方法对倒立摆进行稳摆控制,并整定了各方案的控制器参数。除PID没有控制小车位移,其他两种方法对小车和摆杆角度进行了控制。仿真参数在快速性和超调量等指标中折中优化选取,仿真效果良好,为下一步实验奠定了理论基础。 展开更多
关键词 倒立摆 建模 SIMMECHANICS PID 极点配置 LQR
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基于T-S模型的倒立摆双闭环串级模糊控制设计与仿真 被引量：15
12
作者 侯涛 董海鹰 《系统仿真学报》 EI CAS CSCD 北大核心 2007年第11期2477-2479,2526,共4页
针对具有多变量、非线性特性的倒立摆系统,提出了一种基于T-S模型的双闭环串级模糊控制方法。在该方法中,内环控制倒立摆的角度,外环控制倒立摆小车的位移,并对双闭环参数耦合实现了解耦,降低了系统设计的难度和复杂度。数字仿真结果表... 针对具有多变量、非线性特性的倒立摆系统,提出了一种基于T-S模型的双闭环串级模糊控制方法。在该方法中,内环控制倒立摆的角度,外环控制倒立摆小车的位移,并对双闭环参数耦合实现了解耦,降低了系统设计的难度和复杂度。数字仿真结果表明了该方法的可行性。 展开更多
关键词 倒立摆 双闭环解耦 串级模糊控制 T-S模型
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二级倒立摆的T-S模糊建模和模糊控制 被引量：5
13
作者 王凯 黄玲 都磊 《控制工程》 CSCD 北大核心 2015年第S1期47-50,共4页
针对二级倒立摆系统具有多变量、非线性和强藕合的特性,借助T-S模糊模型研究二级倒立摆系统的模糊建模和模糊控制的问题,提出针对两个不同摆角建立T-S模糊状态空间模型,并设计模糊LQR控制器。与一般的LQR控制对比。仿真结果表明:提出的... 针对二级倒立摆系统具有多变量、非线性和强藕合的特性,借助T-S模糊模型研究二级倒立摆系统的模糊建模和模糊控制的问题,提出针对两个不同摆角建立T-S模糊状态空间模型,并设计模糊LQR控制器。与一般的LQR控制对比。仿真结果表明:提出的二级倒立摆的模糊建模和模糊控制方法具有较短的收敛时间和较小的输出振幅。 展开更多
关键词 模糊建模 模糊控制 二级倒立摆
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不确定非线性系统基于偏差分离的双线性控制 被引量：5
14
作者 杨玲玲 章云 陈贞丰 《自动化学报》 EI CSCD 北大核心 2010年第10期1432-1442,共11页
非线性和不确定性是制约控制系统性能的主要因素,为此出现了许多方法都试图克服这些因素的影响.本文提出一种基于偏差分离的双线性控制策略,在线获取模型偏差信息,并采用简单的双线性控制结构,具有很好的工程意义.论文证明了双线性控制... 非线性和不确定性是制约控制系统性能的主要因素,为此出现了许多方法都试图克服这些因素的影响.本文提出一种基于偏差分离的双线性控制策略,在线获取模型偏差信息,并采用简单的双线性控制结构,具有很好的工程意义.论文证明了双线性控制系统指数渐近稳定的充分条件.仿真结果表明所提出的双线性控制策略的有效性. 展开更多
关键词 双线性控制 偏差分离 不确定非线性 三级倒立摆 变结构控制
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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
15
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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基于模糊控制的旋转倒立摆稳定性仿真研究 被引量：4
16
作者 赵博 李嘉波 +2 位作者 李忠玉 叶敏 徐信芯 《机床与液压》 北大核心 2020年第7期131-134,共4页
倒立摆是一个复杂的、非线性、不稳定的系统,通常采用数学建模的方法研究倒立摆系统,该方法复杂繁琐且在建模过程中简化约束条件,使仿真结果存在一定误差。在Matlab Simulink环境中基于Simscape模块进行倒立摆系统的建模;根据倒立摆系... 倒立摆是一个复杂的、非线性、不稳定的系统,通常采用数学建模的方法研究倒立摆系统,该方法复杂繁琐且在建模过程中简化约束条件,使仿真结果存在一定误差。在Matlab Simulink环境中基于Simscape模块进行倒立摆系统的建模;根据倒立摆系统的运行特征设计了新的模糊规则表,并基于此表建立模糊控制器;采用该模糊控制器在不同的条件下对倒立摆进行控制,取得了良好的控制效果。 展开更多
关键词 Simscape 倒立摆模型 模糊控制
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二级倒立摆的泛逻辑稳定控制研究 被引量：3
17
作者 刘丽 何华灿 +1 位作者 贾澎涛 林卫 《计算机工程与应用》 CSCD 北大核心 2007年第36期82-85,共4页
针对二级倒立摆的稳定控制问题,提出了一种以泛逻辑学为逻辑基础的控制器,控制器以任意区间[a,b]上的零级泛组合运算模型为核心决策部件,决策过程中考虑到输入变量之间的关系、输入量的测量误差,并允许决策门限连续可变。对二级倒立摆... 针对二级倒立摆的稳定控制问题,提出了一种以泛逻辑学为逻辑基础的控制器,控制器以任意区间[a,b]上的零级泛组合运算模型为核心决策部件,决策过程中考虑到输入变量之间的关系、输入量的测量误差,并允许决策门限连续可变。对二级倒立摆实物系统的泛逻辑稳定控制实验和抗干扰实验,以及同模糊控制方法和线性二次型最优状态调节器控制效果的比较证明了该方法的有效性和优越性。 展开更多
关键词 泛逻辑控制器 泛组合运算模型 二级倒立摆
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平面二级倒立摆的线性二次最优控制 被引量：3
18
作者 赵文龙 陈能祥 +1 位作者 曹博 李俊 《实验室研究与探索》 CAS 北大核心 2013年第11期56-59,196,共5页
采用Lagrange方程建立了平面二级倒立摆的非线性动力学模型,将其在平衡位置附近进行线性化,得到系统在2个正交控制方向解耦的近似模型。根据最优控制理论设计了系统的线性二次最优调节器,并利用Visual C++6.0和Visual Basic 6.0实现了... 采用Lagrange方程建立了平面二级倒立摆的非线性动力学模型,将其在平衡位置附近进行线性化,得到系统在2个正交控制方向解耦的近似模型。根据最优控制理论设计了系统的线性二次最优调节器,并利用Visual C++6.0和Visual Basic 6.0实现了人机交互,实时控制在多媒体定时器中断服务函数内实现,自主搭建了一套平面二级倒立摆实验平台。系统成功实现稳摆控制,仿真及实验结果表明建立平面二级倒立摆解耦模型的合理性与控制算法的有效性。 展开更多
关键词 平面二级倒立摆 建模 解耦 线性二次最优控制 多媒体定时器
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倒立摆系统自适应高阶微分反馈控制(英文) 被引量：5
19
作者 齐国元 陈增强 袁著祉 《控制理论与应用》 EI CAS CSCD 北大核心 2004年第5期676-683,共8页
利用提取的系统高阶微分信息,提出了自适应高阶微分反馈控制器.某种程度上该控制器不依赖于单输入单输出(SISO)非线性仿射系统的模型.并且分析了闭环系统的稳定性和鲁棒性.通过将摆角方程的位移加速度看作是控制输入,将倒立摆系统转化... 利用提取的系统高阶微分信息,提出了自适应高阶微分反馈控制器.某种程度上该控制器不依赖于单输入单输出(SISO)非线性仿射系统的模型.并且分析了闭环系统的稳定性和鲁棒性.通过将摆角方程的位移加速度看作是控制输入,将倒立摆系统转化成相互影响的两个SISO仿射系统,从而用两个串级高阶微分反馈控制器成功地实现了倒立摆系统的镇定与调节.数字仿真表明,控制器对摆的基准模型实现了较为满意的控制,而且该控制方法对非线性摩擦项,对摆长、摆质量、小车质量等参数变化以及外扰动具有强鲁棒性. 展开更多
关键词 倒立摆系统 高阶微分器 自适应高阶微分反馈控制器 不依赖模型控制器 鲁棒性
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基于模型预测控制的仿人机器人实时步态优化 被引量：9
20
作者 丁加涛 何杰 +1 位作者 李林芷 肖晓晖 《浙江大学学报（工学版）》 EI CAS CSCD 北大核心 2019年第10期1843-1851,共9页
为了提高仿人机器人在行走过程中的抗干扰能力,提出基于模型预测控制(MPC)的步态生成与优化策略.基于飞轮倒立摆模型(IPFM),建立系统状态空间模型.给定落脚点参考位置和躯干旋转参考角度,提出包含质心(CoM)轨迹生成、落脚点调整和躯干... 为了提高仿人机器人在行走过程中的抗干扰能力,提出基于模型预测控制(MPC)的步态生成与优化策略.基于飞轮倒立摆模型(IPFM),建立系统状态空间模型.给定落脚点参考位置和躯干旋转参考角度,提出包含质心(CoM)轨迹生成、落脚点调整和躯干旋转角度优化的多目标惩罚函数;考虑足部支撑范围、落脚点变动范围等可行性约束,建立二次规划(QP)求解模型.利用开源求解器,实现最优质心轨迹、足部落脚点和躯干旋转角度的在线生成.通过仿真验证了该算法的可行性和有效性.结果表明,每个控制循环在2 ms内完成,满足实时控制需求;该方法能够利用躯干旋转以实现更大范围变步行参数的稳定行走;与只调整落脚点相比,机器人对各个方向外力的抵抗能力都有提高. 展开更多
关键词 模型预测控制(MPC) 飞轮倒立摆模型(IPFM) 落脚点调整 躯干转动 双足步行 仿人机器人
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