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专利号: 2020111757129
申请人: 杭州电子科技大学
专利类型:发明专利
专利状态:已下证
专利领域: 控制;调节
更新日期:2024-01-05
缴费截止日期: 暂无
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摘要:

权利要求书:

1.一种基于鲁棒自适应控制器的平衡车控制方法,其特征在于,包括如下步骤:步骤1,利用牛顿第二定律建立平衡车简化模型;

步骤2,采用基于状态变量反馈的鲁棒自适应方法,使用鲁棒自适应控制器控制平衡车的倾角。

2.如权利要求1所述的一种基于鲁棒自适应控制器的平衡车控制方法,其特征在于,所述步骤1具体包括:在暂不考虑转向问题时,设平衡车系统等效于一个一级倒立摆,倒立摆摆杆的质量为m,摆杆的总长度为2l,其中摆杆的重心位于杆的中间,即距离两端长度均为的l的地方,摆杆的倾斜角度为θ,摆杆围绕下方转轴的转动惯量为J,摆杆受到底部小车对其横向作用力等于小车受到的驱动力为u,摆杆受到底部小车对其竖向作用力为H;底部可以左右移动小车的质量为M,小车横向运动距离为z,则摆杆重心的水平位置可以表示为:x=z+lsinθ        (1)对式(1)求导,可得摆杆重心水平方向的加速度为:同理,摆杆中心的垂直位置唯一表示为:

y=lcosθ      (3)

对式(3)求导,可得摆杆重心垂直方向的加速度为:因为摆杆在水平方向的受力为H,根据牛顿第二定律,可得摆杆水平方向方程为:同理,因为摆杆在垂直方向上受到重力mg,支持力v的作用,垂直方向方程为:同时,摆杆在水平推力H和垂直方向推力v的作用下,围绕重心的转动方程为:对底部小车进行受力分析,小车在水平方向上受到驱动力u和反作用力H,运动方程为:对式子(5)、式子(8)化简可以得到平衡车的运动方程为:由式子(5),(6),(7),(8)化简可得平衡车的第二个运动方程:因为平衡车正常运行状态时,倾角θ总是在零度附近,所以三角函数可以简化为:sinθ≈θ,cosθ≈1     (11)将近似关系(11)带入到运动方程(9)、(10),且因为 项相对其他项较小,舍弃该项,则平衡车的运动方程可以化简为:将微分方程(12)、(13)等效转换:通过驱动力变量u控制倾角θ,使得从变量u到变量θ的传递函数稳定,并将倾角θ的设定值设定为零度,当站立在平衡车上的使用者控制自己身体的重心向前倾时,对倾角θ控制的调节作用u同时会使得平衡车向前加速;同理当使用者的身体重心向后倾斜时,平衡车会向后加速;

相比于式(14)、(15)所示的一级倒立摆模型,平衡车的变量M等于零,所以式子(15)可以化简为:同时,将平衡车的重心位置近似位于倒立摆摆杆的中间位置,则转动惯量为:J=ml2   (17)

将转动惯量带入式子(16),平衡车倾角控制方程简化为:令变量x1=θ, 将平衡车倾角控制方程转为状态空间方程形式:

3.如权利要求2所述的一种基于鲁棒自适应控制器的平衡车控制方法,其特征在于,所述步骤2具体包括:所述自适应控制器将自动在平衡车运动过程中估计未知量 并同时调节控制器的参数,已知被控对象对应为式子(19),设参考模型的状态空间方程式为:其中,am0,am1,bm0为通过Butterworth得到的参考模型的传递函数;

控制器将把平衡车的倾角状态空间方程补偿成参考模型,使得被控对象的性质趋向于参考模型的性质,而参考模型代表了希望的控制特性,控制项u的方程为:

设被控对象状态变量与参考模型的误差为:ε=xm-x     (22)

则可以将上述系统转化为动态误差模型:

选择Lypunov函数为:

对Lypunov函数求导可得:

此处矩阵P的选取要满足P=PT>0,且使得Q>0;

则未知参数θ的鲁棒自适应估计式为: