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两轮车的稳定性分析与控制研究

朱欣志  
【摘要】:本文主要研究两轮车系统的稳定性和运动控制。建立了普通机器人自行车和高速自行车系统近似真实的物理模型,初步的解决了在存在扰动和参数大范围变化给传统控制器和变结构滑模控制器设计带来的一些问题。进行了变结构滑模控制的消颤振方法和完全消除可达阶段的控制器设计和算法研究,并将理论研究的成果应用于机器人两轮车的控制设计,取得了很好的效果。本文的研究具有探索性,主要工作及意义有以下几个方面: 1.针对普通类自行车和具有特殊结构的高速自行车系统,根据动力学和运动学关系,建立了改进的自行车运动方程。在此基础上,基于高速人力自行车的关键结构特征,讨论了高速自行车运动中存在的问题,得到了与普通自行车系统类似的运动方程。较好的解决了模型的真实性和简单性的矛盾,得到了状态变量与物理概念之间有明确对应关系的既近似真实又简单的两轮车模型。为今后进一步的研究奠定了基础。 2.针对高速自行车具有的特殊结构进行了初步的稳定性分析。高速自行车和传统自行车相比具有高速、流线型结构和低高度等特点,分析了两者的静态和动态平衡特性及控制特性。当环境和系统参数是大范围变化时,其运动的稳定性的全面分析比较困难。分析得到了初步的结论。这些结论对于控制器设计具有很强的指导作用。这方面的研究具有探索性质。 3.针对两轮车设计了具有扰动观察器的变结构滑模控制器。给出了利用观察扰动去有效的补偿两轮车系统,消除传统的滑模控制器对于不确定性上界先验知识要求的鲁棒性方法。得到了变结构滑模控制对于存在建模不准确性和外部干扰时,保持两轮车系统稳定性和暂态性能的一套系统化设计方法。并综合了用适当控制作用既使得系统稳定,又使系统某一性能指标达到最优或次优的控制率方法。得到了较好的效果。 4.针对变结构滑模控制的颤振问题,采用逆正切函数代替符号函数的消颤方法。给出了采用这种消颤方法参数选择的依据和实现的步骤。得到了必须要对变结构滑模控制中的颤振进行消除和在控制性能之间取一个折衷的一般依据。 5.针对滑模变结构控制的运动存在可达阶段的主要缺陷。给出了基于指数衰减的修改滑动模态域的方法来完全消除可达阶段的控制器设计,使得任意初始状态驻留在修改的滑模超平面上。由于系统从未离开过滑动超平面,故在系统运动中消除了可达阶段。保证了在可达阶段对于自行车尤其高速自行车系统的跟踪误差能直接控制,系统的响应对于参数不确定性和噪声干扰不敏感,保证了两轮车或高速自行车的全域稳定性和全域鲁棒性。通过对对高速自行车在存在不确定性因素和扰动影响数字仿真,获得了很好的动态品质和稳态跟踪精度,完全满足性能指标要求,证明了本文有关理论研究的正确性和良好的工程应用前景。


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