基于LQR和卡尔曼滤波的倒立摆系统鲁棒性分析

一级倒立摆系统作为经典的控制理论实验装置,具有高度非线性和不稳定性,因此对其进行精确控制和状态估计具有重要的研究意义。该研究旨在提高倒立摆系统的鲁棒性,提出了一种基于LQR控制和卡尔曼滤波的综合方法。首先,建立倒立摆系统的数学模型,通过线性二次调节器(LQR)设计了最优控制器,以实现系统的稳定控制。其次,增加卡尔曼滤波器对系统状态进行实时估计,提高系统的动态响应性能。通过仿真研究对比分析了不同控制策略下系统的鲁棒性表现。结果表明,融合LQR控制和卡尔曼滤波的方法使得倒立摆的摆杆角度响应时间控制在1 s内,其均方差提高93%,显著改善了倒立摆系统的鲁棒性和控制精度,有效抑制外部扰动的影响。

基于LQR对直线倒立摆的稳摆控制研究及实现

针对倒立摆的稳摆控制问题,研究设计了一个LQR控制器。首先,考虑摆杆摆动的阻力矩,采用牛顿力学分析方法推导出直线倒立摆的数学模型,建立了其线性状态空间模型,并分析了系统的稳定性、能控性与能观性。通过采用仿真试凑确定加权矩阵Q、R,得到状态反馈增益矩阵K,完成LQR控制器的设计。之后,搭建了以开放式运动控制器为核心的倒立摆实验平台,在计算机上开发了实时人机交互程序,在运动控制器里编写了倒立摆控制算法。最后,进行了仿真与实测实验,验证了所设计的LQR控制器的有效性和可行性。

基于改进SAC的倒立摆控制算法研究

针对倒立摆系统控制过程中易受外界干扰和自然不稳定的特点,以及深度强化学习SAC算法采样数据利用率较低和随机离线策略网络收敛较慢的问题,提出了一种结合近端经验采样和优化策略网络结构的改进算法PRER_SAC。构建神经网络拟合函数,策略网络使用性能更优的Mish函数作为激活函数,设置自调节温度系数以增强智能体的探索能力;设计远、近两个经验池,及一种改变数据存放频率的训练策略,提高数据样本的利用率。通过仿真实验对比,所提方法在同等训练次数下所得回报值和算法收敛速度优于DDPG和SAC算法,同传统控制方法PID和LQR相比,有更好的控制效果。最后,对训练好的智能体加入角度扰动,可在2 s内被消除抑制,证明提出的算法具有较强的适用性。

直线倒立摆变论域模糊PID控制系统研究

针对传统的直线倒立摆PID控制器参数整定方法主观性强,系统响应性能不佳等问题,提出了一种基于变论域模糊PID参数整定方法用于直线倒立摆系统的控制。首先采用机理建模法建立了直线倒立摆数学模型,其次利用MATLAB/Simulink搭建了直线倒立摆双闭环控制模型,设计了变论域模糊PID控制器与PID控制器对比分析,最终在某公司的直线倒立摆上实现了基于变论域模糊PID控制的直线倒立摆稳摆控制。通过仿真与实验结果分析,相较于PID控制器,采用变论域模糊PID控制器对直线倒立摆系统控制具有较好的稳定性与更强的抗干扰性。

基于遗传模糊PID算法的倒立摆稳摆抑噪抗扰实验与分析

倒立摆稳摆控制原理应用的实际工程需求牵引,使倒立摆成为检验各类控制算法的理想替代实验研究平台。因此,将倒立摆摆杆的姿态稳定控制和抑噪抗扰作为研究内容,以理论分析、编程实现、仿真实验和实物实验验证作为研究手段,聚焦控制器设计的优化。首先,引入模糊控制对PID参数调节进行优化,改固定参数调节为在线参数调节,旨在提高系统的鲁棒性与抗扰性;然后,运用遗传算法的量化因子和比例因子完成调节参数的在线寻优,通过设计适应度函数和选择算子,经过选择、交叉、变异不断演化迭代,最终获取最佳适应度个体、找到最优解,通过仿真验证遗传模糊PID算法突出的抑噪抗扰优势;最后,基于该控制策略进行倒立摆实物实验,验证了其指令跟踪有效性的结论。该研究表明:遗传模糊PID算法具有良好的指令跟踪和抑噪抗扰性能,具有一定的工程应用价值。

具有H_(∞)性能的输入受限三级倒立摆控制器设计

【目的】针对直线三级倒立摆控制输入受限下的稳摆控制问题,设计了具有H_(∞)性能的输入受限三级倒立摆控制器。【方法】利用线性矩阵不等式(LMI)方法,将控制输入约束问题转化为利用线性矩阵不等式求解优化值的优化问题,经Lyapunov稳定性推导出符合条件的LMI,利用MATLAB中的LMI工具箱求解得到有效的K。进一步在控制输入受限下引入H_(∞)性能指标,使所设计的控制输入受限下的算法具有H_(∞)性能。【结果】仿真结果表明,该控制器对于控制输入受限下的复杂高阶次不稳定系统具有很好的控制效果。【结论】控制输入信号在给定的受限范围内实现了三级倒立摆的稳摆要求,且引入H_(∞)性能指标后控制输入和摆杆波动更小。

对手倒立行走及辅助器械的价值与作用探索

本文运用文献资料法、专家访谈法、观察法以及结合作者训练经验对手倒立行走以及辅助器械的作用与价值做相应的探讨,概述了手倒立行走的作用以及手倒立行走辅助器械的价值,并提出辅助器械的构想,望为提高训练效果,促进人们身体健康等方面尽微薄之力,为我国研究手倒立行走奠定相应的基础,其他学者可延续本文设计做深入探讨。

单级旋转倒立摆系统辨识与随动稳定控制方法研究

针对单级旋转倒立摆系统参数辨识和随动稳定控制问题,首先建立倒立摆在不受外力控制,摆杆自然下垂的顺摆模型,基于顺摆模型采用快速傅里叶变换方法对系统参数进行辨识;然后推导顺摆模型与倒摆模型之间的关系,进一步得到倒立摆的倒摆模型;根据辨识出的倒摆模型,采用线性二次型控制器对其进行稳定控制,并进行了数值仿真与实物实验验证。研究结果表明,通过辨识得到的系统模型更加精确,对比直接测量参数得到的系统模型,控制效果更好,且能对随动输入指令进行更优的跟随。该方法可以有效避免量测误差,提高模型的准确性,为火炮随动稳定控制提供参考。

模糊PID控制在倒立摆稳摆中的噪声抑制分析

针对普通PID控制在倒立摆稳摆中不能有效抑制干扰噪声的问题,通过模糊控制算法对PID参量整定进行在线实时调整。在完成模糊PID控制器的设计应用后对倒立稳摆中的噪声抑制效果进行分析,并对影响控制效果的隶属函数选取进行探讨。结果表明:模糊PID参数整定能起到噪声抑制效果,且模糊算法使用方便,适应性强。

邹敬园双杠“后上转体180°成倒立”动作的运动学虚拟再现

分析双杠奥运冠军邹敬园在2023年全国体操冠军赛中的“后上转体180°成倒立”的运动学特征。通过三维录像解析法和3D虚拟现实技术,对邹敬园的动作进行数据采集和分析。发现各阶段重心速度和关节角度变化清晰,但未完全成倒立,仍有提升空间。尽管邹敬园的动作水平很高,但在上摆和转体阶段需进一步加强髋关节和肩关节的协调性,优化重心轨迹,以提高动作完成质量和稳定性。

基于策略迭代的滑动自平衡偏置倒立摆自适应最优控制

针对具有未知参数的滑动自平衡偏置倒立摆系统,提出一种自适应控制方案,能够在线求解系统最优反馈增益,而不需要了解系统内部动态模型。基于策略迭代技术,所提出的算法在策略评估和策略更新步骤之间交替进行,直到控制策略的更新不再改善系统性能为止。因此,该方法提供了一种自适应最优控制算法,能通过收集系统状态数据,求得最优控制策略。通过在滑动自平衡偏置倒立摆系统上仿真验证和进行实物实验证明所提出算法的有效性。

回旋式倒立摆的H∞控制

倒立摆系统具有多变量、非线性、强耦合和不确定的特点,常被用来验证控制算法的优劣性。H∞在干扰抑制和鲁棒性上均有较为突出的表现。在对倒立摆控制研究情况和H∞控制理论发展情况进行简单介绍后,围绕一阶回旋式倒立摆的H∞控制进行研究。首先,基于拉格朗日方程对一阶倒立摆进行动力学分析,并近似地得到平衡点附近的线性方程;对倒立摆系统进行分析,得到倒立摆系统是能观能控系统、但平衡点不稳定的结论。其次,简单介绍基于里卡蒂方程的H∞控制器求解方法,并证明该控制器能够保证系统的稳定性。最后,仿真确定加权矩阵各元素和H∞性能指标的大小对系统性能的影响和对电机扭矩的要求,并最终确定一组相对合适的参数进行控制器设计。

汉画中艺伎倒立图像的艺术造型与文化阐释

汉画中艺伎倒立图像数量众多且形式多样,其造型从双手倒立到单手倒立,再到复合式倒立,同时还混合有其他动作,使倒立造型变得更加优美。倒立造型是汉代舞乐百戏的重要表现形式之一,也蕴含着丰富的文化内涵,不仅展现了汉代贵族休闲娱乐的生活特征,体现了艺伎的创新精神和竞技精神,同时还对普通大众的身心健康有着促进作用。故而在欣赏汉代画像以及其他艺术形式时,我们不仅要看到表面的美,还要关注艺术所蕴含的文化价值,这样才能真正把握其艺术的内涵。

基于MATLAB的单级倒立摆系统仿真研究

为了对单级倒立摆系统的非线性等问题进行研究,基于Matlab对单级倒立摆系统进行了仿真研究。首先对单级倒立摆系统进行了建模和动力学分析,然后通过最优控制的方法进行了系统仿真。通过仿真实验,验证了最优控制方法的有效性和单级倒立摆系统的非线性,为单级倒立摆系统的线性控制提供了参考。

基于樽海鞘优化算法的倒立摆智能控制系统设计

针对传统算法应用在倒立摆智能控制系统上的效果往往不佳的问题,提出一种基于樽海鞘优化算法(SSA)的倒立摆智能控制系统设计。以一级倒立摆为研究控制对象,建立倒立摆数学模型,先用神经网络控制,再用SSA算法优化神经网络的权重值,找到最佳的控制参数,并借助python软件进行仿真,最终使倒立摆系统稳定。

基于DSP的旋转式倒立摆控制系统

介绍了基于DSP(digitalsignalprocessing ,数字信号处理 )控制器的旋转式倒立摆控制系统的总体结构和工作原理 ,对系统模型进行动力学分析 ,建立了一个四阶的状态空间方程 .根据状态反馈方法实现了倒立控制 ,在此基础上 ,设计了基于规则分析的摆起控制方案 ,最终实现了摆起 倒立控制 .实验表明 ,系统的稳定性好 ,抗干扰能力强 .使用DSP来控制倒立摆 ,有利于系统的小型化 ,控制更加快速 ,控制品质有很大提高 .

基于滚球倒立摆模型对新型自平衡车载人研究

针对自平衡车制动性能差、抗干扰能力弱等问题,设计了一种新型自平衡车,利用滚球倒立摆模型研究新型自平衡车载人运动过程。构建动力学模型,基于PID控制方法论证了设计方案的可行性;基于自抗扰控制技术改进控制系统,使用Simulink进行仿真并与实验数据对比分析。结果表明,新型自平衡车在较大加速度(15 m/s^(2))时仍能保持稳定,动态品质较高。

基于DSP的二轮小车-倒立摆系统

为了提高倒立摆运动的自由度,同时也提高了控制难度,以便实现更多的控制内容,利用DSP的强大功能,设计了一种基于DSP的二轮小车 倒立摆系统。介绍了以DSP芯片TMS320LF2407为核心的二轮小车 倒立摆的硬件系统的开发,以及运用现代控制理论设计的控制软件,实现小车 倒立摆的倒立平稳控制和在小车 倒立摆保持倒立状态下的自由位置移动控制。控制结果表明了二轮小车 倒立摆系统的设计是成功的,原先的控制设想也是可行的。

江苏省杂技团《炼——倒立技巧》获蒙特卡洛“新一代”国际青少年马戏节金奖

第46届蒙特卡洛国际马戏节于2024年1月19-28日在摩纳哥蒙特卡洛举办,来自中国、美国、法国、马来西亚、乌兹别克斯坦等十多个国家和地区的选手同台竞技。经过激烈角逐,由江苏省杂技团选送的节目《炼--倒立技巧》获得“新一代”国际青少年马戏节最高奖金奖。《炼——倒立技巧》的演员王梦尘4岁学艺,12岁登台,在国内屡获大奖。

二级倒立摆的二次型最优控制研究

倒立摆系统以其自身的不稳定性而难以控制,也因此成为自动控制实验中验证控制策略优劣的极好的实验装置。针对二级倒立摆系统的平衡控制问题,对其进行数学建模,应用二次型最优控制理论设计了控制器。仿真结果表明,二次型最优控制对于典型非线性自不稳定系统有着很好的控制能力。