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基于广义扩展线性化方法的单级倒立摆位移控制.pdf

第 32卷第 5期 华 北 水 利 水 电 学 院 学 报 Vo1.32NO.5 2011年 1O月 JournalofNorthChinaInstituteofWaterConservancyandHydroelectricPower 0ct.2011 文章编号 :1002—5634(2011)05—0095—04 基于广义扩展线性化方法的单级倒立摆位移控制 李秋菊,刘楷安 (华北水利水 电学院,河南 郑州 450011) 摘 要 :针对单级倒立摆系统的位移控制 问题 ,运用拉格 朗 日方程建立了单级倒立摆系统的动力学模型,并对 该非线性的动力学模型进行了广义的扩展线性化处理.利用 MATLAB符号语言,设计并给出基于非线性反馈 的单级倒立摆系统位移控制器.仿真结果表 明,控制器能够达到期望的控制效果 ,且具有一定的鲁棒性. 关键词 :单级倒立摆 ;位移控制 ;扩展线性化 ;仿真 倒立摆系统是一个典型的多变量 、非线性 、强耦 表示小车偏离基准点的水平位置 (小车位移)和倒 合的不稳定系统 ,由于倒立摆系统与单足机器人 以 摆偏离竖直方 向的角度 (倒摆摆角).设小车的质量 及工程中支点在下、重心在上系统 的控制具有很大 为 ,小球的质量为 m,杆长为z,小车水平方向的驱 的相似性 ,因此成为控制理论研究中较为理想 的试 动力为 n.单级倒立摆系统的物理结构如图 1所示. 验对象 ,对其进行控制方案的设计和验证具有重要 的理论和现实意义.单级倒立摆稳定控制是控制理 论应用中的一个典型范例 ,目前研究人员 已用 多种 方法进行 了实现 ¨ .倒立摆系统控制的难点在于 对其位移的控制 ,文献 [3]给 出了一种基于变结构 控制的位移控制方案 ,但是在控制律 的设计过程 中 涉及控制参数 的不断调整 ,不利于工程实现. 针对上述 问题 ,笔者采用分析力学 中的拉格朗 图 1 倒 立摆 系统物理结构 示意图 日方程建立了单级倒立摆系统的动力学模 型,并对 非线性模型进行广义扩展线性化处理,使其成为具 系统位移控制的 目标是通过对小车的驱动力 “ 有线性化形式 的非线性方程.在此基础上 ,直接设计 的控制 ,使小车运动到指定位置并保证倒摆处于竖 并给出单级倒立摆系统的非线性位移控制器的函数 直向上的状态. 形式 ,通过计算得 到实 时控制律 ,并通过 MATLAB 利用拉格 朗 日定理建立倒立摆系统 的动力学 仿真验证 了控制方案的有效性. 方程 1 单级倒立摆系统数学模型 ㈥一aL=Q, (I) 在惯性参考系下的水平面上 ,倒摆 由无质量的 式中:q,为系统 的广义坐标 ;Q 为系统除保守力 以 轻杆和一定质量的小球组成 ,轻杆通过转动关节安 外的其它施加力 ,其 中 :1,2,…,n; 为拉格 朗 日 装在小车上.在不考虑空气阻力 、摩擦力 ,并且 忽略 算子,其数学描述为 杆的质量及其弹性变形 的情况下,定义 和 分别 L(q,q)=T(q,q)一V(q,q) (2) 收稿 日期 :2011—04一Ol 基金项 目:河南省重大科技攻关项 目(092102210234);华北水利水电学院青年科研基金项 目(HSQJ2009010) 作者简介 :李秋菊(1977一),女 ,河南驻马店人 ,讲师,硕士,主要从事计算机控制与仿真方面 的研究. 96 华 北 水 利 水 电 学 院 学 报 2011年 l0月 式中:T为系统的动能;V为系统的势能. 芸(u (u 定义单级倒立摆系统 中2个广义

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