二级倒立摆

摘要： 为了提高平面二级倒立摆模型控制过程的动态、静态性能及对控制器参数的自适应整定能力和抗干扰能力,提出一种将PID控制与模糊控制相结合的自适应控制算法。应用拉格朗日方程建立平面二级倒立摆数学模型。根据实际经验确定模糊隶属度函数并建立模糊规则表。通过计算误差和误差变化率设计自适应模糊PID控制器。为设计的控制器建立仿真模型,并与PID、模糊、LQR等控制方法对比实验性能。仿真结果表明:建立的自适应模糊PID控制器的超调量、调节时间更小,上、下摆角及位移的摆动幅度低,控制精度更高,且系统抗噪能力强,鲁棒性良好。验证了所提方法的理论正确性和控制算法的有效性。

摘要： 倒立摆是非线性系统的典型代表,可以用来检验算法的控制效果是否理想。以直线二级倒立摆作为研究对象,通过设计LQR(Linear Quadratic Regulator)控制器实现其稳定控制,使一级摆杆、二级摆杆及滑块都处于误差较小的动态平衡状态。借助MATLAB工具进行仿真实验,通过实验结果分析研究该控制器的性能,实验结果表明LQR控制器在二级倒立摆控制中呈现响应快速、振荡小、稳定性能好等特点。

摘要： 二级倒立摆系统是多变量、非线性的控制系统,本文利用lagrange方程建立了二级倒立摆的数学模型,并进行了稳定性分析.在此基础上,基于最优控制理论设计了二级倒立摆最优控制器,实物调试结果表明该最优控制器是有效、可行的.

摘要： 针对二级倒立摆系统的非线性、自然不稳定特点,本文基于SIMULINK仿真环境下验证了模糊控制理论在二级倒立摆的控制中的有效性.通过对倒立摆系统的研究,建立了倒立摆系统的空间状态方程,从数学的角度对其进行精确建模.模糊控制器作为基于模糊理论发展起来的控制策略,凭借其智能性和自适应的特点,在一些复杂的系统中得到了应用.本文利用SIMULINK的模糊控制工具箱构建了两输入一输出的模糊控制器,设计了相应变量隶属度函数,构建了模糊规则.构建成功的模糊控制器应用于二级倒立摆控制的仿真中,通过观察小车和两级摆杆的位置、摆角等物理量,证明了在模糊控制下,二级倒立摆系统在较短的响应时间内便能够达到稳定状态,具备很好的动态性能以及较强的鲁棒性.

摘要： 介绍了基于融合函数的模糊控制算法。应用Lagrange方程构建二级倒立摆实验系统数学模型。在Matlab的Simulink组件环境下,设计基于融合函数的模糊控制器,构建控制系统的仿真平台与实物平台。实验结果表明,该方法简化了模糊控制器的设计,保证了控制系统具有良好的动态性能与稳态指标。

摘要： 针对多维变量的被控对象进行模糊控制时存在"规则爆炸"等问题,提出基于融合函数的T-S模糊控制器设计思想。以二级倒立摆为被控对象,运用拉格朗日方程建立数学模型;运用极点配置、函数融合等方法,并结合并行分布补偿思想(PDC)进行降维T-S模糊控制器的设计,并采用改进遗传算法进行T-S模糊控制器的鲁棒优化。仿真结果表明,所设计的基于融合函数的T-S模糊控制器可实现对二级倒立摆的控制,其控制精度、鲁棒性等都优化于极点配置的线性反馈控制器。

摘要： 为了解决多变量、非线性、强耦合的二级倒立摆系统在进行模糊控制时遇到的模糊规则爆炸问题,设计了基于融合变量的T-S模糊控制器.通过配置极点设计融合函数,以融合函数生成的变量作为输入,倒立摆控制输入为T-S模糊控制器输出;采用改进遗传算法对T-S模糊控制器进行鲁棒性优化.仿真实验表明,所设计的二级倒立摆的T-S模糊控制器鲁棒性比较好.

摘要： 从工业革命以来,科技迅猛发展,机器逐渐代替手工,自动控制将人类从繁琐的劳务工作中解脱出来,随着科技的发展,逐渐成为了一个重要的学科,作为一门应用性极强的学科,各大高校都有必要设置实验课程来提高学生对理论课程的理解.倒立摆实验平台是一个非线性、 高阶次、 多变量、 强耦合的典型不稳系统,由于其原理简单,操作方便的特点,成为了高校和研究所验证控制方法是否有效的理想平台.研究表明,三级倒立摆稳定难以做到,一级倒立摆稳定过于简单,因此采用好的控制方法,来实现二级倒立摆的实时稳定控制,通过这种方式,可以很好地锻炼学生的思维能力和动手能力,做到灵活运用理论知识.

摘要： 针对二次型最优控制调节器难以实现对二级倒立摆系统的最优控制问题,本文建立了倒立摆数学模型,并对直线二级倒立摆(线性二次型控制器)(linear quadratic regulator,LQR)进行设计,同时采用卡尔曼滤波对系统的输出做出最优估计,并利用Matlab对未经卡尔曼滤波的调节器系统与前置卡尔曼滤波器的调节器系统进行仿真比较分析,仿真结果表明,应用基于前置Kalman滤波器的控制,比单独用线性二次型最优控制效果更加有效可行:未经滤波时,系统输出受扰动影响大;采用卡尔曼滤波后,系统输出波动小,稳定性好.该研究可以消除噪声给系统带来的抖动影响,具有一定的实用性.

摘要： 二级倒立摆是一个高度非线性系统，具有强耦合和快速性的特点，必须采用有效的非线性系统的控制方法才可使其稳定在平衡位置。随着智能控制的发展，大多数研究人员和学者将变结构在倒立摆控制系统中的应用，作了大量的理论研究以及仿真实验，为实际应用作了铺垫。但是仿真实验在实际应用过程存在着较强的限制性，其表现为控制器结构越复杂，仿真结果与实际应用结果的差距越大，在实际应用过程中由于各种干扰因素较多且环境条件复杂，有的控制策略甚至无法实现预期的实时控制效果。本文在对直线二级倒立摆进行模型分析建立基础上，通过常规滑模控制理论，设计了常值和比例2种非线性控制器，采用MATLAB仿真平台分别对这2种控制器算法进行了仿真研究，并进一步指出了这2种控制策略在倒立摆控制系统中实际应用过程实施的可行性。研究结果表明，2种控制器仿真均能实现对二级倒立摆的控制，但常值切换控制仿真结果具有强烈的抖振，该策略在实时控制中会对设备造成较大的损害，不宜选择；比例切换控制具有良好的削弱抖振能力，在实时控制中可以选择。

摘要： 为解决LQ控制多变量系统时，权矩阵参数难以确定的问题，在引入一种与系统动态性能密切相关的性能指标基础上。提出混沌全局粗搜索和局部细搜索相结合优化LQ控制二级倒立摆。该方法既是线性二次型泛函意义下的最优，又能解决具有快速，强非线性、绝对不稳定系统的控制问题。二级倒立摆实验结果证实了该方法的有效性。

摘要： 以二级倒立摆为被控对象，利用拟人智能控制方法设计了系统的非线性控制律。与传统的控制方法相比，拟人智能控制方法不受线性约束，从而对于复杂的非线性被控对象可以得到满意的控制结果。对二级倒立摆控制系统进行了数字仿真，仿真结果进一步验证了设计方案的有效性。

摘要： 针对二级倒立摆系统提出了一种分级小波神经网络的控制方法,该方法针对小波神经网络映射学习时容易产生“维数灾难”问题,在应用中,按刚络输入对输出的影响程度的不同,将网络分为两级,该方法大大降低了小波神经网络的输入维数,加快了网络的收敛速度.网络训练时采用了梯度下降学习算法和最小二乘法的混合算法,有效的改善了梯度学习算法收敛速度慢的缺点.仿真结果表明,采用混合算法的分级小波神经网络能够很好的实现二级倒立摆的稳定控制,且控制效果好.

摘要： 针对二级倒立摆系统提出了一种分级小波神经网络的控制方法,该方法针对小波神经网络映射学习时容易产生"维数灾难"问题,在应用中,按网络输入对输出的影响程度的不同,将网络分为两级,该方法大大降低了小波神经网络的输入维数,加快了网络的收敛速度.网络训练时采用了梯度下降学习算法和最小二乘法的混合算法,有效的改善了梯度学习算法收敛速度慢的缺点.仿真结果表明,采用混合算法的分级小波神经网络能够很好的实现二级倒立摆的稳定控制,且控制效果好.

摘要： 针对多变量、非线性、强耦合的二级倒立摆系统,本文提出了一种新的控制算法,它借助线性系统理论与模糊控制技术相结合,并利用信息融合技术,将多变量系统的模糊控制转变为传统的两个变量的模糊控制,这样大大减少了模糊控制器的规则数,简化了模糊控制器的设计.仿真结果表明,通过该方法倒立摆能实现稳定控制,因此这种方法是可行的.

摘要： 本文介绍了按规定的主导极点选择最优控制加权阵的原理,并在方法上作了一定改进.把传统的最优控制与极点配置结合起来,既得到了系统最优控制器,又得到了具有工程意义希望的性能指标.并成功地把最优控制理论应用于二级倒立摆控制系统,设计出具有期望主导极点的最优控制器,实现了对二级倒立摆系统的稳定控制.

摘要： 为了扩大模糊控制技术的应用范围，充分发挥模糊逻辑的优势，提出了一种基于融合函数的多输入模糊控制器设计方法，以降低模糊控制器的输入变量维数，简化多输入模糊控制器的设计过程，有效地处理多变量问题。二级倒立摆系统控制实例证明了该方法的可行性。

摘要： 为了研究群时延对受控机械系统稳定性的影响，本文以受控二级倒立摆为对象，通过理论和实验方法，分析了LQ 控制下，Butterworth低通数字滤波器群时延引起的闭环系统稳定性切换现象。在该系统中，低通滤波器用来去除控制输入信号中的强高频噪声，在理论分析中它们被简化为纯滞后环节。结果表明，若滤波器指标设置得合适，它可以改善系统的控制效果，节省主动控制的能量消耗；若指标设置过高，滤波器群时延将会超过临界时滞，引起平衡点失稳。实验结果和理论分析结果的一致性肯定了在稳定性分析时将滤波器简化为纯滞后环节的合理性。论文最后就如何避免数字滤波器群时延引起的系统失稳提出了一些建议。

摘要： 被控系统稳定性与LQR控制器权重矩阵Q和R的选择有关.针对选择适当的Q和R使系统在约束条件下达到稳定性最优的问题,提出了一种通过留优遗传算法实现二级倒立摆系统LQR控制器参数寻优的新方法.以被控系统的动能积分为性能指标来实现寻优,以能量为寻优性能指标,可使二级倒立摆系统各部分的稳定性以统一的量纲表示.可依据倒立摆系统的耦合性,从总体的角度考虑系统的稳定性.仿真的结果表明了该方法的有效性.

摘要： 本发明实施例公开了一种小车‑二级倒立摆系统优化控制方法，包括以下步骤：S10，设置高斯核函数，通过以当前状态控制对为输入，状态变化量为输出，训练出高斯核函数超参数的取值；通过联合概率分布函数，得到第i时刻状态控制对的分布与第i+1时刻状态分布的关系，即高斯过程模型；S20，确定最优的控制区间与较优的离散控制序列；S30，获得高斯过程模型和最优控制区间后，对公式高斯过程模型和初始条件变分，结合高斯过程模型的迭代计算，得到总的目标函数值与梯度值；S40，调用基于梯度的优化求解器，并将学习得到的较优的离散控制序列作为优化控制的初始猜测，通过梯度值和总的目标函数值的计算，迭代求解得到最优的控制力序列。

摘要： 本发明提供了一种基于干扰观测器的二级倒立摆自适应滑模控制方法。该方法针对存在外部扰动的二级倒立摆系统稳定控制问题，首先根据拉格朗日方程建立二级倒立摆系统的微分方程，并在平衡位置附近进行线性化处理，推导出带有外部扰动的线性状态方程和输出方程。然后设计滑动模态，并利用非线性干扰观测器对滑动模态中的系统未知模型进行补偿，使得控制器的设计无需知道系统的结构和参数，并考虑到观测器的估计误差界限未知，在控制器中设计自适应律对未知估计进行调节。同时采用LMI求解滑模参数，并利用sigmoid函数代替控制器中的符号函数，消除抖振现象。

摘要： 本发明公开了面向非同长二级倒立摆自起摆及其平衡控制方法，包括以下步骤：对二级倒立摆进行系统建模，得到其状态空间方程；首先将问题简化成一级倒立摆的摆起控制，采用能量法对小车进行起摆，将摆杆1摆至0度附近；采取滑膜控制进行一级摆杆稳摆，同时利用其反馈力将摆杆2摆至竖直位置，当摆杆1与摆杆2均在0度时，利用变增益lqr进行整体倒立摆稳摆。本发明在对二级倒立摆进行自起摆方法设计的基础上，针对非同长两摆杆，提出一种新型控制方案，与以前的方法相比，在对摆杆2进行自起摆时，无需了解其系统参数和算法设计，仅用惯性和对摆杆1的反馈便能达到目的，因此所提出的控制更简单、更高效、鲁棒性更好。

摘要： 本发明公开了基于布谷鸟优化的小波神经网络的二级倒立摆控制器，属于二级倒立摆控制领域。本发明通过如下步骤构建：步骤1、构建小波神经网络，包括输入层、隐含层和输出层；步骤2、利用布谷鸟算法优化小波神经网络的参数；步骤3、输入训练样本训练所述小波神经网络，若达到预设精度候最大迭代次数时，停止训练，保留此时网络中的各参数数值。本发明的控制器具有控制精度高和抗干扰力强的优点，解决的现有的二级倒立摆控制器控制精度低的问题。

摘要： 本发明实施例公开了一种小车‑二级倒立摆系统优化控制方法，包括以下步骤：S10，设置高斯核函数，通过以当前状态控制对为输入，状态变化量为输出，训练出高斯核函数超参数的取值；通过联合概率分布函数，得到第i时刻状态控制对的分布与第i+1时刻状态分布的关系，即高斯过程模型；S20，确定最优的控制区间与较优的离散控制序列；S30，获得高斯过程模型和最优控制区间后，对公式高斯过程模型和初始条件变分，结合高斯过程模型的迭代计算，得到总的目标函数值与梯度值；S40，调用基于梯度的优化求解器，并将学习得到的较优的离散控制序列作为优化控制的初始猜测，通过梯度值和总的目标函数值的计算，迭代求解得到最优的控制力序列。

摘要： 本发明提供了一种基于干扰观测器的二级倒立摆自适应滑模控制方法。该方法针对存在外部扰动的二级倒立摆系统稳定控制问题，首先根据拉格朗日方程建立二级倒立摆系统的微分方程，并在平衡位置附近进行线性化处理，推导出带有外部扰动的线性状态方程和输出方程。然后设计滑动模态，并利用非线性干扰观测器对滑动模态中的系统未知模型进行补偿，使得控制器的设计无需知道系统的结构和参数，并考虑到观测器的估计误差界限未知，在控制器中设计自适应律对未知估计进行调节。同时采用LMI求解滑模参数，并利用sigmoid函数代替控制器中的符号函数，消除抖振现象。

摘要： 本实用新型提供一种两轮平衡车二级倒立摆装置，涉及倒立摆技术领域，该两轮平衡车二级倒立摆装置，包括支撑板，所述支撑板的底部两侧均固定有侧板，所述侧板的内部开设有通槽，所述通槽的内部滑动连接有滑板，所述滑板的顶部与通槽的内壁顶部之间连接有弹簧，两个所述滑板相互靠近的一侧均安装有马达，该两轮平衡车二级倒立摆装置，滚轮运动至较颠簸的路段时，通过滑板在通槽内部的滑动，弹簧对其起到抑制作用，可缓冲行进过程中路面对行驶舒适性的影响，同时保证了二级倒立摆的稳定性，辅助轮抵触地面并固定，即可使该装置形成三轮支撑，方便在二级倒立摆损坏时使用，提高了该装置的耐用性。

摘要： 一种具有避障功能的两轮自平衡车二级倒立摆系统。本实用新型涉及一种具有避障功能的两轮自平衡车二级倒立摆系统。两个驱动轮分别设置在支撑板Ⅰ下板面的左右两侧，每个所述的驱动轮均被一个驱动电机驱动，所述的支撑板Ⅰ与支撑板Ⅱ之间竖直设置支架，所述的支架内安装电池，所述的电池放置在支撑板Ⅰ的上表面，所述的支撑板Ⅱ上安装控制板、超声波测距模块与角位移传感器，所述的角位移传感器的转轴上安装自由摆杆。本实用新型作为控制系统的理想模型，能够有效用于各种控制算法的验证。

摘要： 本实用新型公开了一种基于两轮自平衡小车的二级倒立摆实验装置，包括支撑板、两个驱动电机、编码器、支架、自由摆杆以及两个驱动轮；两个驱动电机分别安装在支撑板下板面的左右两侧，两个驱动轮分别安装在两个驱动电机的输出轴上；支架竖直安装在支撑板的上板面上，编码器安装在支架上，且编码器的检测转轴为水平设置，自由摆杆垂直安装在编码器的检测转轴上。该二级倒立摆实验装置采用两个驱动电机分别驱动两个驱动轮进行移动，结构简单方便装置的移动，两个驱动轮的自由移动和自由摆动的自由摆杆一起构成二级倒立摆，具有较好的实验性能。

摘要： 本实用新型公开了一种环形二级倒立摆实验装置，包括一端与电机输出台紧固连接的水平连杆，水平连杆另一端固定有上端固定有第一编码器的第一编码器支架，第一编码器通过中间连杆与安装有第二编码器的第二编码器支架连接，第二编码器输出轴上安装有摆杆；水平连杆在做旋转运动，中间连杆和摆杆在垂直于水平连杆所在平面绕各自铰接处做旋转运动，摆杆的角度通过第二编码器采集；中间连杆通过过盈配合以及螺钉紧固连接在第一编码器上，第一编码器直接与中间连杆连接，结构简单、节省成本，进一步使中间连杆的角度测量更加准确；中间连杆设计为一个整体，便于加工制造，在实验过程中，不会出现松动、脱杆现象，使实验过程更安全可靠。