两轮平衡小车变结构控制器离散化研究与硬件结构改进

摘要

两轮自平衡小车是一个典型的复杂系统,但其本身又不是非常复杂。其动力学系统具有多变量、非线性、强耦合、参数不确定等特性,其运动环境、控制任务复杂,在完成平衡控制的同时,还要完成路径规划、路径跟踪等任务。因此,两轮自平衡小车是学习和研究各种控制方法的理想实验平台。变结构控制在滑动模态时具有鲁棒性强的特点,应用于复杂的两轮自平衡小车系统控制将有很大优势,但相关研究较少。本文着重设计了两轮自平衡小车系统的连续和离散时间系统变结构控制器,并着重讨论了采样周期对控制效果的影响,为实现计算机控制提供参考。
　　 具体工作主要有如下几点:第一,通过分析和借鉴国内外两轮自平衡小车的结构组成,参与设计了两轮自平衡小车控制系统的硬件及软件,并对自平衡小车的机械结构和硬件提出了改进建议,以发挥小车作为控制理论验证平台的潜力。第二,基于线性二次型最优控制设计了变结构控制的切换函数,并据此为两轮自平衡小车设计了连续和离散时间系统的变结构控制器。第三,为了抑制抖振,在连续变结构控制中采用了准滑动模态的方法,在离散变结构控制中采用了一种改进的指数趋近律方法。第四,着重研究了变结构控制的采样周期变化对系统响应的影响,为计算机控制系统采样周期的选取提供了依据。

目录

文摘

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第一章 绪论

1.1 两轮自平衡小车的特点及研究意义

1.2 两轮自平衡小车的发展历程和现状

1.2.1 国外研究现状

1.2.2 国内研究现状

1.3 本文的主要研究工作

第二章 两轮自平衡小车的总体设计

2.1 两轮自平衡小车的机械结构及工作原理

2.1.1 机械结构

2.1.2 工作原理

2.2 硬件部分

2.2.1 控制单元

2.2.2 驱动单元

2.2.3 传感器单元

2.2.4 外围电路设计

2.3 软件实现

2.4 小结

第三章 系统模型的建立与分析

3.1 系统模型的建立

3.1.1 小车的物理模型

3.1.2 非线性模型

3.2 小车非线性模型级数展开近似线性化

3.1.1 近似线性化方法

3.1.2 自平衡小车系统的近似线性化模型

3.3 小车系统的能控、能观性分析

3.3.1 能控性分析

3.3.2 能观性分析

3.4 小车系统的稳定性分析

3.5 小结

第四章 变结构控制的相关理论

4.1 变结构控制概述

4.1.1 滑模变结构控制的定义

4.1.2 滑模变结构控制的本质概述

4.1.3 变结构控制的优缺点

4.2 滑模变结构控制的一般特性与理论

4.2.1 滑动模态的概念

4.2.2 变结构控制系统的品质、趋近律

4.2.3 变结构系统的数学模型

4.2.4 滑动模态的稳定性

4.3 滑模变结构控制对外干扰和参数摄动的不变性

4.4 变结构控制器的设计方法

4.4.1 变结构控制器设计的一般步骤及要求

4.4.2 设计变结构系统需要解决的问题

4.5 小结

第五章 连续时间系统变结构控制器设计

5.1 基于最优控制思想的控制器的设计

5.1.1 最优控制思想

5.1.2 线性二次型最优控制器的设计

5.1.3 采样周期对控制效果影响

5.2 变结构控制器的设计

5.2.1 基于指数趋近律变结构控制器的设计

5.2.2 采样周期对控制效果影响

5.3 准滑动模态对指数趋近律变结构控制器的改进

5.4 小结

第六章 离散时间系统的变结构控制器设计

6.1 离散时间系统滑模变结构控制的基本原理

6.1.1 离散时间系统滑模变结构控制描述

6.1.2 离散时间系统滑模变结构控制的特性

6.2 基于趋近律的离散滑模变结构控制器设计

6.2.1 离散变结构控制律的设计

6.2.2 对离散指数趋近律控制方法的仿真与分析

6.2.3 采样周期对控制效果的影响

6.3 对离散指数趋近律滑模变结构控制的改进

6.3.1 离散指数趋近律控制的抖振分析

6.3.2 离散指数趋近律的改进

6.4 小结

第七章 两轮自平衡小车机械结构及硬件改进

7.1 机械结构的改进

7.1.1 电路板安装连接方式改进

7.1.2 电源的改进

7.1.3 机械结构的改进

7.2 硬件的改进

7.2.1 控制器的选取

7.2.2 操纵器的加入

7.3 小结

结束语

致谢

参考文献