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三阶倒立摆系统基于能量的控制

魏伟  
【摘要】: 倒立摆系统是一种典型的非线性欠驱动复杂难控系统,对倒立摆的研究可归结为对非线性多变量、欠驱动、绝对不稳定系统的研究。倒立摆系统的控制策略和理论的研究无论对控制理论的发展还是对实践中实时控制策略与技巧的研究都有很好的促进作用,同时,各种非线性控制理论的形成与发展,也往往以倒立摆系统作为实践的检验平台,以验证理论的正确性、有效性和在实时控制中的应用问题,因而,倒立摆系统被看成是检验各种控制理论和方法的有效试金石。 本文给出了小车三阶倒立摆的物理模型和数学描述,建立了它的仿真模型,探讨了该系统的运动控制特性。针对三阶倒立摆系统的特点,将倒立摆的控制过程分成了两个阶段:摆起阶段和稳摆阶段。通过对倒立摆系统动力学特性的分析,以能量控制为基础设计了三阶倒立摆的摆起控制器,并且利用LQR反馈控制方法设计了三阶倒立摆的稳摆控制器,最终通过一个切换控制策略完成了倒立摆的摆起倒立控制,并通过仿真证明了该控制策略行的有效性。


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