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摘要惯性轮摆系统是一个典型的欠驱动系统，该系统只有一个用于驱动轮盘的电机，可以通过轮盘的转动将摆杆从向下的平衡位置带至垂直向上的平衡位置，并使之在该位置保持稳定。本文主要研究了惯性轮摆系统的摆起和镇定控制问题。论文首先推导了惯性轮摆系统的动力学模型，并根据实际情况，对其进行了简化，然后研究了基于部分反馈线性化和基于能量的摆起控制器设计方法实现了惯性轮摆的摆起运动。并在此基础上，研究了基于精确反馈线性化和LQR方法的镇定控制器，实现了惯性轮摆摆起后的镇定控制，最后研究了基于变结构控制思想的惯性轮摆摆起与镇定一体化控制方法。同时利用MATLAB软件，对所设计的控制律进行了验证，并对仿真中出现的问题进行分析和解决，为后续的实验研究奠定了基础。32764
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关键词 惯性轮摆系统，欠驱动系统，摆起控制，镇定控制
毕业论文设计说明书外文摘要
Title The research of control methods of the inertia wheel pendulum
Abstract
Inertia wheel pendulum system is a typical under-actuated system.the system is driven by the wheel motor, swinging rod move from the equilibrium position up to the balance of the vertical position through the rotation of the wheel, and it remained stable in the position. This paper mainly studies the swing-up of the inertia wheel pendulum and stabilization problem of system control.Paper first deduces inertia wheel pendulum system dynamics model And simplifies it according to the actual situation. Then paper studies design method based on partial feedback linearization and swing-up controller design based on energy to achieve the inertia wheel pendulum swing-up movement. And on this basis method about exact feedback linearization and a stabilization controller of LQR method are studied, realizing inertia wheel pendulum under stabilization control. Finally, the paper studies the method of variable structure control. At the same time, The designed control law are verified by MATLAB. analyzing and solving problems arising from the simulation lays the foundation for subsequent experimental study.
Keywords The inertia wheel pendulum system, The underactuated system, Swing-up control, Stabilization control
目 次
1 绪论…1
1.1 课题研究目的与意义…1
1.2 本课题国内外研究现状分析1
1.3 论文主要内容和安排…1
2 惯性轮摆动力学模型及转换…3
2.1 课题研究平台介绍3
2.2 惯性轮摆系统动力学模型…3
2.3 惯性轮摆系统动力学模型变换…4
2.4 本章小结5
3 惯性轮摆系统摆起控制器设计6
3.1 基于部分反馈线性化的摆起控制器设计…6
3.2 基于能量的摆起控制器设计7
3.3 惯性轮摆仿真摆起实验8
3.4 本章小结12
4 惯性轮摆系统镇定控制器设计13
4.1 基于精确反馈线性化的镇定控制器设计…13
4.2 基于LQR的镇定控制器设计14
4.3 惯性轮摆系统仿真镇定实验15
4.4 本章小结19
5 基于变结构方法的惯性轮摆控制器设计20
5.1 惯性轮摆滑模控制器设计…20
5.2 惯性轮摆滑模控制仿真实验22
结论27
致谢28
参考文献29
1 绪论
1.1 课题研究目的与意义
在现实应用中，常常能看见一些独立控制的输入数目要比实际系统输出数目少的系统，我们称这类系统为欠驱动系统。这些系统因为自身的特性，可以实现用较少的输入来控制多个输出的效果[1]。因此在一些特定的环境中，它拥有独特的优点，欠驱动系统的控制问题也一直是非线性控制领域的研究重点之一。课题中研究的惯性轮摆是以惯性轮为驱动的倒立摆系统 ，系统中摆杆由转轮带动而摆动，是属于无驱动的被动运动[2]，是典型的一个输入来控制多个输出的欠驱动系统。研究欠驱动系统的控制问题，如何设计控制器来实现用更少的输入控制系统达到预期的输出,对许多实际工程来说,都是非常有意义的。而且欠驱动系统属于非线性系统比较独特的一类，欠驱动系统的理论成果也能够为探究一般的非线性系统提供参考依据[3，4]。
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