两轮自平衡小车的模糊滑模控制研究

论文摘要

两轮自平衡小车是一种特殊轮式移动机器人,其动力学系统具有多变量、非线性、强耦合、参数不确定等特性,是研究各种控制方法的一个理想平台。本文在总结和归纳了两轮自平衡小车的研究现状后,首先对两轮自平衡小车的硬件和软件体系结构进行了设计,接着对两轮自平衡小车的系统结构和非线性数学模型进行了相关的分析。随后通过对滑模变结构控制原理、特性、抖振产生原因及削弱方法的分析,在传统趋近律变结构控制的基础上提出了基于自适应指数趋近律和广义卡尔曼滤波趋近律的滑模控制,并将这两种控制器分别用来控制两轮自平衡小车,仿真结果表明改进的滑模控制器能明显削弱抖振。最后结合滑模控制和模糊控制各自的优点,设计了基于模糊自适应调节的滑模控制器以用于两轮自平衡小车的控制,该控制器利用模糊逻辑对滑模控制的切换增益进行实时调整,以达到削弱抖振的目的,仿真结果表明该控制器能有效削弱抖振,并对负载扰动和系统参数的变化具有较好的鲁棒性。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 绪论
• 1.1 两轮自平衡小车的研究意义
• 1.2 两轮自平衡机车的研究现状
• 1.2.1 两轮自平衡小车的国外研究现状
• 1.2.2 两轮自平衡小车的国内研究现状
• 1.2.3 两轮自平衡机器人的国内外研究分析
• 1.3 本文的主要研究工作
• 第二章 两轮自平衡小车的硬件及软件设计
• 2.1 两轮自平衡小车的工作原理
• 2.2 两轮自平衡小车硬件结构
• 2.2.1 控制器的选择
• 2.2.2 驱动单元
• 2.2.3 传感器单元
• 2.3 平衡控制算法的软件设计
• 2.4 小结
• 第三章 两轮自平衡小车的系统分析
• 3.1 两轮自平衡小车的数学模型
• 3.1.1 非线性模型
• 3.1.2 模型线性化
• 3.2 开环系统稳定性分析
• 3.3 系统能控性和能观性分析
• 3.3.1 能控性
• 3.3.2 能观性
• 3.4 小结
• 第四章 连续时间系统的滑模变结构控制
• 4.1 连续系统的滑模变结构控制理论
• 4.1.1 理想滑模变结构定义
• 4.1.2 理想滑模变结构控制的动态品质问题及趋近律
• 4.1.3 变结构控制系统的设计
• 4.1.4 滑模变结构控制对外干扰和参数摄动的不变性
• 4.2 两轮自平衡小车的变结构控制
• 4.2.1 基于 Ackermann 公式切换函数的设计
• 4.2.2 自适应指数趋近律滑模控制
• 4.3 小结
• 第五章 离散时间系统的滑模变结构控制
• 5.1 离散时间系统滑模控制的基本原理
• 5.1.1 离散时间系统滑模控制描述
• 5.1.2 离散时间系统滑模控制的特性
• 5.2 基于趋近律的离散滑模控制
• 5.2.1 离散趋近律的设计
• 5.2.2 离散控制律的设计
• 5.2.3 对离散指数趋近律控制方法的仿真与分析
• 5.3 对离散指数趋近率滑模控制的改进
• 5.3.1 离散指数趋近率控制的抖振分析
• 5.3.2 自适应滑模控制器
• 5.3.3 自适应滑模控制器仿真分析
• 5.4 基于广义卡尔曼滤波器的趋近律滑模控制
• 5.4.1 卡尔曼滤波原理
• 5.4.2 广义卡尔曼滤波变结构控制器的设计
• 5.4.3 基于广义卡尔曼滤波器的变结构控制器仿真
• 5.5 小结
• 第六章 自适应模糊滑模控制
• 6.1 模糊逻辑控制的基本原理
• 6.1.1 模糊控制器的组成
• 6.1.2 模糊逻辑控制器的设计原则
• 6.2 基于模糊自适应调节的滑模控制
• 6.2.1 模糊自适应调节原理
• 6.2.2 模糊控制器的设计
• 6.3 仿真分析
• 6.3.1 自适应模糊滑模控制仿真
• 6.3.2 鲁棒性分析
• 6.3.3 非线性系统仿真
• 6.4 小结
• 结束语
• 致谢
• 参考文献
• 在读期间研究成果