兩輪自平衡小車的滑模變結(jié)構(gòu)控制研究.pdf

1、兩輪自平衡小車作為一種輪式移動機器人，從本質(zhì)來說它是不穩(wěn)定的，其動力學(xué)系統(tǒng)具有多變量、強耦合、非線性、參數(shù)不確定等特性，可以作為各種控制算法研究分析的一個有利的平臺。在控制系統(tǒng)的研究中，控制系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型具有非常重要的地位，如果需要對系統(tǒng)進行仿真處理，首先需要得到系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型，而后才能夠模擬這個系統(tǒng)，直流電機的動力學(xué)方程是控制結(jié)構(gòu)的數(shù)學(xué)模型中最主要部分，所以本文需要對直流電機和兩輪自平衡小車進行模型的建立，為本文控制器的設(shè)計奠定基礎(chǔ)。

2、
　　本文結(jié)合國內(nèi)外的現(xiàn)狀搭建了兩輪自平衡小車的硬件平臺，根據(jù)搭建好的硬件平臺，首先對直流電機進行模型的建立，在根據(jù)直流電機的動力學(xué)模型，設(shè)計出了一種新型的基于函數(shù)逼近的自適應(yīng)滑?？刂破?，由于在測試的時候，兩輪自平衡小車的電機過大，無法對其進行負載的檢測，所以本文采用小電機進行模擬，同樣可以驗證所設(shè)計的滑模控制方案的性能。在跟蹤帶有未知有界時變死區(qū)不確定性的直流電機的速度的時候，所提出的滑?？刂品桨附Y(jié)合了滑模變結(jié)構(gòu)控制和函數(shù)逼近技

3、術(shù)，能夠自適應(yīng)的減小未知有界不確定性。具體而言，采用滑模變結(jié)構(gòu)控制技術(shù)對控制律進行設(shè)計，并采用函數(shù)逼近技術(shù)，將干擾項轉(zhuǎn)化為正交基函數(shù)有限的組合。采用所提出的控制方案，不僅可以得到優(yōu)異的速度跟蹤性能，而且還可以在控制過程中自適應(yīng)實時調(diào)整時變不確定性。然后針對兩輪自平衡小車進行整體動力學(xué)方程的建立，首先分析兩輪自平衡小車結(jié)構(gòu)的受力情況，其次采用基于Lagrange能量的求解方法建立兩輪自平衡小車的數(shù)學(xué)模型，考慮到速度和角度之間的關(guān)系，采用速

4、度誤差項代替速度項，一個可以使速度控制更加方便，另一個是使小車在行駛過程中能夠像跑步時有一個科學(xué)的前傾狀態(tài)，使系統(tǒng)更加安全，有效。根據(jù)兩輪自平衡小車整體的動力學(xué)方程，本文所設(shè)計出的滑?？刂破靼瑑蓚€滑模面，將速度滑模面設(shè)計成帶有積分項形式，從而能夠很好的消除外部干擾帶來的穩(wěn)態(tài)誤差，角度滑模面設(shè)計成基于指數(shù)趨近率的形式，使得系統(tǒng)在提高達到滑模面的速度的同時消除抖振現(xiàn)象。
　　為驗證設(shè)計出整個系統(tǒng)的滑?？刂破鞯男阅?，借助于MATLAB