兩輪車(chē)的穩(wěn)定性分析與控制研究.pdf

1、本文主要研究?jī)奢嗆?chē)系統(tǒng)的穩(wěn)定性和運(yùn)動(dòng)控制。建立了普通機(jī)器人自行車(chē)和高速自行車(chē)系統(tǒng)近似真實(shí)的物理模型，初步的解決了在存在擾動(dòng)和參數(shù)大范圍變化給傳統(tǒng)控制器和變結(jié)構(gòu)滑?？刂破髟O(shè)計(jì)帶來(lái)的一些問(wèn)題。進(jìn)行了變結(jié)構(gòu)滑?？刂频南澱穹椒ê屯耆蛇_(dá)階段的控制器設(shè)計(jì)和算法研究，并將理論研究的成果應(yīng)用于機(jī)器人兩輪車(chē)的控制設(shè)計(jì)，取得了很好的效果。本文的研究具有探索性，主要工作及意義有以下幾個(gè)方面： 1.針對(duì)普通類(lèi)自行車(chē)和具有特殊結(jié)構(gòu)的高速自行車(chē)系統(tǒng)

2、，根據(jù)動(dòng)力學(xué)和運(yùn)動(dòng)學(xué)關(guān)系，建立了改進(jìn)的自行車(chē)運(yùn)動(dòng)方程。在此基礎(chǔ)上，基于高速人力自行車(chē)的關(guān)鍵結(jié)構(gòu)特征，討論了高速自行車(chē)運(yùn)動(dòng)中存在的問(wèn)題，得到了與普通自行車(chē)系統(tǒng)類(lèi)似的運(yùn)動(dòng)方程。較好的解決了模型的真實(shí)性和簡(jiǎn)單性的矛盾，得到了狀態(tài)變量與物理概念之間有明確對(duì)應(yīng)關(guān)系的既近似真實(shí)又簡(jiǎn)單的兩輪車(chē)模型。為今后進(jìn)一步的研究奠定了基礎(chǔ)。 2.針對(duì)高速自行車(chē)具有的特殊結(jié)構(gòu)進(jìn)行了初步的穩(wěn)定性分析。高速自行車(chē)和傳統(tǒng)自行車(chē)相比具有高速、流線型結(jié)構(gòu)和低高度等特

3、點(diǎn)，分析了兩者的靜態(tài)和動(dòng)態(tài)平衡特性及控制特性。當(dāng)環(huán)境和系統(tǒng)參數(shù)是大范圍變化時(shí)，其運(yùn)動(dòng)的穩(wěn)定性的全面分析比較困難。分析得到了初步的結(jié)論。這些結(jié)論對(duì)于控制器設(shè)計(jì)具有很強(qiáng)的指導(dǎo)作用。這方面的研究具有探索性質(zhì)。 3.針對(duì)兩輪車(chē)設(shè)計(jì)了具有擾動(dòng)觀察器的變結(jié)構(gòu)滑?？刂破?。給出了利用觀察擾動(dòng)去有效的補(bǔ)償兩輪車(chē)系統(tǒng)，消除傳統(tǒng)的滑?？刂破鲗?duì)于不確定性上界先驗(yàn)知識(shí)要求的魯棒性方法。得到了變結(jié)構(gòu)滑?？刂茖?duì)于存在建模不準(zhǔn)確性和外部干擾時(shí)，保持兩輪車(chē)系統(tǒng)穩(wěn)

4、定性和暫態(tài)性能的一套系統(tǒng)化設(shè)計(jì)方法。并綜合了用適當(dāng)控制作用既使得系統(tǒng)穩(wěn)定，又使系統(tǒng)某一性能指標(biāo)達(dá)到最優(yōu)或次優(yōu)的控制率方法。得到了較好的效果。 4.針對(duì)變結(jié)構(gòu)滑?？刂频念澱駟?wèn)題，采用逆正切函數(shù)代替符號(hào)函數(shù)的消顫方法。給出了采用這種消顫方法參數(shù)選擇的依據(jù)和實(shí)現(xiàn)的步驟。得到了必須要對(duì)變結(jié)構(gòu)滑?？刂浦械念澱襁M(jìn)行消除和在控制性能之間取一個(gè)折衷的一般依據(jù)。 5.針對(duì)滑模變結(jié)構(gòu)控制的運(yùn)動(dòng)存在可達(dá)階段的主要缺陷。給出了基于指數(shù)衰減的修改

5、滑動(dòng)模態(tài)域的方法來(lái)完全消除可達(dá)階段的控制器設(shè)計(jì)，使得任意初始狀態(tài)駐留在修改的滑模超平面上。由于系統(tǒng)從未離開(kāi)過(guò)滑動(dòng)超平面，故在系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)中消除了可達(dá)階段。保證了在可達(dá)階段對(duì)于自行車(chē)尤其高速自行車(chē)系統(tǒng)的跟蹤誤差能直接控制，系統(tǒng)的響應(yīng)對(duì)于參數(shù)不確定性和噪聲干擾不敏感，保證了兩輪車(chē)或高速自行車(chē)的全域穩(wěn)定性和全域魯棒性。通過(guò)對(duì)對(duì)高速自行車(chē)在存在不確定性因素和擾動(dòng)影響數(shù)字仿真，獲得了很好的動(dòng)態(tài)品質(zhì)和穩(wěn)態(tài)跟蹤精度，完全滿(mǎn)足性能指標(biāo)要求，證明了本文有關(guān)理