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Computing of LQR Technique for Nonlinear System Using Local Approximation 被引量:1
1
作者 Aamir Shahzad Ali Altalbe 《Computer Systems Science & Engineering》 SCIE EI 2023年第7期853-871,共19页
The main idea behind the present research is to design a state-feedback controller for an underactuated nonlinear rotary inverted pendulum module by employing the linear quadratic regulator(LQR)technique using local a... The main idea behind the present research is to design a state-feedback controller for an underactuated nonlinear rotary inverted pendulum module by employing the linear quadratic regulator(LQR)technique using local approximation.The LQR is an excellent method for developing a controller for nonlinear systems.It provides optimal feedback to make the closed-loop system robust and stable,rejecting external disturbances.Model-based optimal controller for a nonlinear system such as a rotatory inverted pendulum has not been designed and implemented using Newton-Euler,Lagrange method,and local approximation.Therefore,implementing LQR to an underactuated nonlinear system was vital to design a stable controller.A mathematical model has been developed for the controller design by utilizing the Newton-Euler,Lagrange method.The nonlinear model has been linearized around an equilibrium point.Linear and nonlinear models have been compared to find the range in which linear and nonlinear models’behaviour is similar.MATLAB LQR function and system dynamics have been used to estimate the controller parameters.For the performance evaluation of the designed controller,Simulink has been used.Linear and nonlinear models have been simulated along with the designed controller.Simulations have been performed for the designed controller over the linear and nonlinear system under different conditions through varying system variables.The results show that the system is stable and robust enough to act against external disturbances.The controller maintains the rotary inverted pendulum in an upright position and rejects disruptions like falling under gravitational force or any external disturbance by adjusting the rotation of the horizontal link in both linear and nonlinear environments in a specific range.The controller has been practically designed and implemented.It is vivid from the results that the controller is robust enough to reject the disturbances in milliseconds and keeps the pendulum arm deflection angle to zero degrees. 展开更多
关键词 COMPUTING rotary inverted pendulum(RIP) modeling and simulation linear quadratic regulator(LQR) nonlinear system
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基于LIPM的双足机器人变步长行走规划 被引量:2
2
作者 冯帅 孙增圻 《东南大学学报(自然科学版)》 EI CAS CSCD 北大核心 2009年第S1期121-124,共4页
为了提高双足机器人步行运动的灵活性,提出了一种基于线性倒立摆模型的双足步行规划算法.该算法首先根据所要达到的步长,获得支撑腿切换时质心的位置;然后,根据线性倒立摆模型的运动特性,计算出质心到达上述位置所需要的时间;最后,根据... 为了提高双足机器人步行运动的灵活性,提出了一种基于线性倒立摆模型的双足步行规划算法.该算法首先根据所要达到的步长,获得支撑腿切换时质心的位置;然后,根据线性倒立摆模型的运动特性,计算出质心到达上述位置所需要的时间;最后,根据该时间对摆动脚用正弦曲线进行规划,使之能够在恰当的时刻到达所需的落脚点位置进行支撑脚的切换.该算法可使双足机器人在运动中变化步长,很好地提高其步行的灵活性.通过真实机器人的实验,验证了该方法的有效性和实用性. 展开更多
关键词 双足机器人 步行规划 线性倒立摆模型
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基于模型预测控制的双足高效行走系统
3
作者 严海鑫 李国承 +1 位作者 上官倩芡 安康 《上海师范大学学报(自然科学版中英文)》 2024年第3期308-314,共7页
提出基于模型预测的双足高效行走系统.首先,利用最优能效算法对双足行进中的最优步态进行分析,包括行进步长和步速,并以此生成参考轨迹;然后,通过模型预测控制的思路对机器人的最优能效步态进行跟踪控制;最后,结合机器人逆运动学构建高... 提出基于模型预测的双足高效行走系统.首先,利用最优能效算法对双足行进中的最优步态进行分析,包括行进步长和步速,并以此生成参考轨迹;然后,通过模型预测控制的思路对机器人的最优能效步态进行跟踪控制;最后,结合机器人逆运动学构建高效稳定的双足行走系统.通过仿真实验验证了该系统可以有效跟踪、生成高效的行走步态,探寻了双足机器人动态行走的新思路. 展开更多
关键词 模型预测控制 线性倒立摆 高效行走步态 零力矩点(ZMP) 支撑多边形
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基于独立参考模型的抗干扰反步控制研究
4
作者 李珺 李国明 +1 位作者 曾政霖 韩传翔 《河北水利电力学院学报》 2024年第3期19-23,72,共6页
提出了一种基于独立参考模型的抗干扰反步控制方法,并在经典的单级直线倒立摆系统的应用中表现出色。首先,设计单级直线倒立摆的反步控制器并得到系统的独立参考模型,此时单级直线倒立摆若受到干扰将会偏离独立参考模型的理想值,为提高... 提出了一种基于独立参考模型的抗干扰反步控制方法,并在经典的单级直线倒立摆系统的应用中表现出色。首先,设计单级直线倒立摆的反步控制器并得到系统的独立参考模型,此时单级直线倒立摆若受到干扰将会偏离独立参考模型的理想值,为提高单级直线倒立摆的抗干扰性能,引入广义状态误差,即独立参考模型输出与系统实际输出的误差,然后基于广义状态误差和反步控制方法利用Lyapunov稳定性理论设计控制器,最终得到基于独立参考模型的单级直线倒立摆抗干扰反步控制器。仿真结果表明,该控制器能够有效抑制外界干扰对单级直线倒立摆的影响,具有较强的鲁棒性和抗干扰能力。 展开更多
关键词 独立参考模型 抗干扰 反步控制 广义状态误差 单级直线倒立摆
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基于二级倒立摆的数学建模及系统性能分析 被引量:2
5
作者 吉红 王颖丽 +1 位作者 赵忠义 孙宏图 《机械设计》 CSCD 北大核心 2023年第7期137-142,共6页
基于二级倒立摆非线性、强耦合、多变量和自然不稳定的高阶系统特点,文中采用Lagrange数学建模方法对二级倒立摆模型数学建模并进行系统分析。分析二级倒立摆系统结构及阐述其工作原理,并基于Lagrange方程建立该系统的非线性模型;考虑... 基于二级倒立摆非线性、强耦合、多变量和自然不稳定的高阶系统特点,文中采用Lagrange数学建模方法对二级倒立摆模型数学建模并进行系统分析。分析二级倒立摆系统结构及阐述其工作原理,并基于Lagrange方程建立该系统的非线性模型;考虑系统工作特点对建模过程中次要因素进行忽略,并在此基础上对数学模型线性化处理;对二级倒立摆模型的稳定性、可控性及可观性进行分析。结果表明:二级倒立摆模型是一个单输入多输出系统,具有高度不稳定性,但具有良好的可控性和可观性,这为二级倒立摆模型的控制系统研究奠定了坚实的理论基础。 展开更多
关键词 二级倒立摆 数学建模 线性化 可控性 可观性
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基于四足机器人稳定性的对角步态规划 被引量:8
6
作者 李宏凯 李志 +2 位作者 郭朝龙 戴振东 李伟波 《机械设计》 CSCD 北大核心 2016年第1期64-69,共6页
四足机器人步态规划的合理性直接影响机器人的稳定性。文中结合虚拟腿、线性倒立摆和零力矩点原理,以占空比为0.5的对角步态为基础,在运动相过渡阶段加入10%周期的四足支撑过程。在支撑相时,用平滑的零力矩点轨迹推导出机器人质心轨迹,... 四足机器人步态规划的合理性直接影响机器人的稳定性。文中结合虚拟腿、线性倒立摆和零力矩点原理,以占空比为0.5的对角步态为基础,在运动相过渡阶段加入10%周期的四足支撑过程。在支撑相时,用平滑的零力矩点轨迹推导出机器人质心轨迹,从而得到支撑相的足端轨迹;在摆动相时,结合椭圆与三次多项式规划了足端摆动相的轨迹,保证位置和速度的连续平滑性。通过动力学分析软件仿真分析,验证了新步态的合理性。 展开更多
关键词 四足机器人 虚拟腿 线性倒立摆(lipm) 零力矩点(ZMP)
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直线柔性连接两级倒立摆控制器设计 被引量:8
7
作者 吴昊 秦志强 +2 位作者 朱学峰 向少华 史步海 《控制工程》 CSCD 2003年第6期497-499,共3页
倒立摆系统是一个复杂的、非线性的、不稳定的高阶系统。倒立摆的控制一直是控制理论及应用的典型课题。分析了如何利用拉格朗日方程对直线柔性连接两级倒立摆系统建模,采用LQR法设计最优控制器,进行了具体架构以及阐述了此系统设计的... 倒立摆系统是一个复杂的、非线性的、不稳定的高阶系统。倒立摆的控制一直是控制理论及应用的典型课题。分析了如何利用拉格朗日方程对直线柔性连接两级倒立摆系统建模,采用LQR法设计最优控制器,进行了具体架构以及阐述了此系统设计的控制器在实际物理系统中的实现问题。所设计的控制器对此倒立摆系统成功实施了控制,既证明了系统建模的正确性,也是倒立摆控制中的一项重大突破。相关研究成果将在航天科技及机器人学等领域发挥重要作用。 展开更多
关键词 控制理论 直线柔性连接两级倒立摆 控制器 设计 系统建模
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基于线性二次型最优控制策略的倒立摆实验系统搭建 被引量:8
8
作者 李劲松 颜国正 +1 位作者 冯剑舟 宋立博 《实验室研究与探索》 CAS 北大核心 2010年第3期38-40,60,共4页
以自动控制领域典型的实验、教研设备——倒立摆系统作为研究对象,在建立了倒立摆系统数学模型的基础上,采用线性二次型最优策略进行控制,并利用MFC实现了人机交互,自主搭建了一套直线型一级倒立摆实验系统。系统的成功起摆与保持倒立... 以自动控制领域典型的实验、教研设备——倒立摆系统作为研究对象,在建立了倒立摆系统数学模型的基础上,采用线性二次型最优策略进行控制,并利用MFC实现了人机交互,自主搭建了一套直线型一级倒立摆实验系统。系统的成功起摆与保持倒立控制的实现,验证了建模的正确性与控制方式的有效性。 展开更多
关键词 倒立摆实验系统 建模 线性二次型最优控制 系统搭建
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基于动态设计变量优化算法的非线性模型参数估计 被引量:4
9
作者 么健石 侯祥林 徐心和 《东北大学学报(自然科学版)》 EI CAS CSCD 北大核心 2004年第2期106-109,共4页
为消除在传统非线性模型参数估计中由于线性化引起的模型误差,提出了一种基于动态设计变量优化的非线性模型参数估计算法·该算法以每个待估计的参数为设计变量,以与设计变量相关的误差函数为目标函数,并将参数约束条件构造在目标... 为消除在传统非线性模型参数估计中由于线性化引起的模型误差,提出了一种基于动态设计变量优化的非线性模型参数估计算法·该算法以每个待估计的参数为设计变量,以与设计变量相关的误差函数为目标函数,并将参数约束条件构造在目标函数中,建立参数估计的最优化问题·针对圆形轨道倒立摆动力学模型进行参数估计,证明该算法具有很高的计算精度和较快的收敛速度,是解决非线性模型参数估计的有效方法之一· 展开更多
关键词 动态设计变量 优化算法 非线性模型 参数估计 圆轨倒立摆
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平面二级倒立摆的线性二次最优控制 被引量:3
10
作者 赵文龙 陈能祥 +1 位作者 曹博 李俊 《实验室研究与探索》 CAS 北大核心 2013年第11期56-59,196,共5页
采用Lagrange方程建立了平面二级倒立摆的非线性动力学模型,将其在平衡位置附近进行线性化,得到系统在2个正交控制方向解耦的近似模型。根据最优控制理论设计了系统的线性二次最优调节器,并利用Visual C++6.0和Visual Basic 6.0实现了... 采用Lagrange方程建立了平面二级倒立摆的非线性动力学模型,将其在平衡位置附近进行线性化,得到系统在2个正交控制方向解耦的近似模型。根据最优控制理论设计了系统的线性二次最优调节器,并利用Visual C++6.0和Visual Basic 6.0实现了人机交互,实时控制在多媒体定时器中断服务函数内实现,自主搭建了一套平面二级倒立摆实验平台。系统成功实现稳摆控制,仿真及实验结果表明建立平面二级倒立摆解耦模型的合理性与控制算法的有效性。 展开更多
关键词 平面二级倒立摆 建模 解耦 线性二次最优控制 多媒体定时器
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直线柔性连接两级倒立摆系统建模 被引量:2
11
作者 吴昊 秦志强 +2 位作者 朱学峰 史步海 向少华 《计算机测量与控制》 CSCD 2004年第4期352-354,357,共4页
倒立摆系统是一个复杂的、非线性的、不稳定的高阶系统。倒立摆的控制一直是控制理论及应用的典型课题,而实施有效控制的关键是对该系统进行建模。在对倒立摆系统进行了概要的介绍后,详述了如何利用拉格朗日方程对直线柔性连接两级倒立... 倒立摆系统是一个复杂的、非线性的、不稳定的高阶系统。倒立摆的控制一直是控制理论及应用的典型课题,而实施有效控制的关键是对该系统进行建模。在对倒立摆系统进行了概要的介绍后,详述了如何利用拉格朗日方程对直线柔性连接两级倒立摆建模。科研人员可基于此模型研发各种控制策略。 展开更多
关键词 控制理论 控制策略 直线柔性连接两级倒立摆系统 建模
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Matlab在倒摆系统设计中的应用 被引量:3
12
作者 武元新 刘恒春 胡小平 《计算机仿真》 CSCD 2001年第3期60-62,共3页
倒摆系统是一个复杂的机械系统。该文从倒摆的状态空间模型出发 ,借助Matlab工具 ,采用LQR(线性二次型最优控制 )方法实现倒摆控制系统的设计。
关键词 倒摆系统 状态空间模型 数学模型 MATLAB 系统仿真
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双足机器人自然ZMP轨迹生成方法研究 被引量:1
13
作者 李春光 刘国栋 《计算机工程与应用》 CSCD 2014年第19期53-57,共5页
为了实现双足机器人类人行走,提出了一种基于自然ZMP轨迹的双足机器人步行模式生成方法。在单腿支撑相,根据基于三维线性倒立摆模型,在设定从脚跟到脚趾移动的自然ZMP轨迹后,得到质心轨迹方程;在双腿支撑相采用线性摆模型生成质心轨迹... 为了实现双足机器人类人行走,提出了一种基于自然ZMP轨迹的双足机器人步行模式生成方法。在单腿支撑相,根据基于三维线性倒立摆模型,在设定从脚跟到脚趾移动的自然ZMP轨迹后,得到质心轨迹方程;在双腿支撑相采用线性摆模型生成质心轨迹方程。同时给出了在统一坐标系中的多步规划质心轨迹方程。在RoboCup 3D仿真平台实现了采用自然ZMP轨迹的双足机器人类人稳定步行,实验和竞赛结果都验证了该方法的有效性。 展开更多
关键词 自然ZMP轨迹 双足机器人 步态规划 线性倒立摆模型 线性摆模型
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倒立摆线性二次型最优控制方法研究 被引量:5
14
作者 夏浩军 邱荣华 《机械制造与自动化》 2018年第1期218-221,共4页
为优化倒立摆控制性能,提高系统响应的快速性和稳定性,研究了线性二次型最优控制方法。应用动力学分析方法建立单级倒立摆线性状态空间模型,设计线性二次型控制器(LQR);应用Matlab软件中LQR函数,确定倒立摆闭环控制系统状态反馈向量及... 为优化倒立摆控制性能,提高系统响应的快速性和稳定性,研究了线性二次型最优控制方法。应用动力学分析方法建立单级倒立摆线性状态空间模型,设计线性二次型控制器(LQR);应用Matlab软件中LQR函数,确定倒立摆闭环控制系统状态反馈向量及最优控制目标函数,完成线性二次型状态反馈控制系统设计。时间响应分析及动态仿真结果表明,基于LQR函数设计的线性二次型状态反馈控制系统,阶跃响应上升时间<2 s,调节时间<5 s,实现了单级倒立摆快速、稳定控制。 展开更多
关键词 倒立摆 线性状态空间模型 线性二次型控制器 状态反馈控制 最优控制
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倒立摆系统可线性化建模条件及稳定控制的研究 被引量:3
15
作者 李祥彬 李学仁 《自动化技术与应用》 2007年第9期17-19,共3页
对单级倒立摆系统进行线性化建模,在初始摆角为5o的条件下采用了LQR和PD两种控制算法进行了稳定控制,都取得了良好的控制效果。在初始摆角从0o到-20o变化时,以步长为-4o进行了递推运算,分别得到了两组仿真曲线图,实验证明,两种控制算法... 对单级倒立摆系统进行线性化建模,在初始摆角为5o的条件下采用了LQR和PD两种控制算法进行了稳定控制,都取得了良好的控制效果。在初始摆角从0o到-20o变化时,以步长为-4o进行了递推运算,分别得到了两组仿真曲线图,实验证明,两种控制算法的可线性化建模条件为|θ(0)|≤8o否则系统将呈现明显的非线性特性,线性化模型将很不准确,最后从实现稳定控制和可线性化建模条件两方面出发得出,PD控制优于LQR控制。 展开更多
关键词 倒立摆系统 LQR控制 PD控制 可线性化建模
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直线一级倒立摆控制策略研究及仿真分析 被引量:10
16
作者 梁春辉 冯雷 张欣 《长春工程学院学报(自然科学版)》 2010年第1期36-40,共5页
应用牛顿力学定律建立了直线一级倒立摆的传递函数、状态空间表达式等数学模型,并分析其稳定性、可控性和可观测性。在此基础上,分别研究经典控制方法和现代控制方法在一级倒立摆系统中的应用,包括PID控制算法、系统频率响应分析与校正... 应用牛顿力学定律建立了直线一级倒立摆的传递函数、状态空间表达式等数学模型,并分析其稳定性、可控性和可观测性。在此基础上,分别研究经典控制方法和现代控制方法在一级倒立摆系统中的应用,包括PID控制算法、系统频率响应分析与校正、线性二次最优控制算法和极点配置法,并在MATLAB/SIMULINK仿真平台上对这些控制算法的效果进行仿真,可以取得不同的控制效果。 展开更多
关键词 直线一级倒立摆 数学模型 经典控制方法 现代控制方法 MATLAB/SIMULINK
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基于T-S模糊控制模型的单级倒立摆仿真研究 被引量:1
17
作者 李国辉 刘阳 姜利祥 《微计算机信息》 北大核心 2008年第10期243-245,共3页
为了实现对单级倒立摆非线性不稳定系统的稳定控制,本文利用模糊控制理论中的T-S模糊模型将其处理成多个局部线性模型的模糊逼近,并进行了模糊控制器的设计。通过Simulink对倒立摆系统进行了建模仿真和对系统控制效果的分析,结果表明:... 为了实现对单级倒立摆非线性不稳定系统的稳定控制,本文利用模糊控制理论中的T-S模糊模型将其处理成多个局部线性模型的模糊逼近,并进行了模糊控制器的设计。通过Simulink对倒立摆系统进行了建模仿真和对系统控制效果的分析,结果表明:此模型实现了对单级倒立摆的稳定控制,并且具有模糊规则少、结构简单、很好的稳定性和快速性等优点,对于其它非线性不稳定系统的控制提出了一种有效的途径。 展开更多
关键词 T-S模糊控制模型 非线性系统 单级倒立摆 SIMULINK仿真
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基于Simulink的单级倒立摆仿真对比 被引量:2
18
作者 李国辉 《大连交通大学学报》 CAS 2008年第1期68-72,共5页
为了实现对单级倒立摆非线性不稳定系统的稳定控制,采用极点配置和模糊控制理论中的T-S模糊模型两种方法建立倒立摆系统的状态方程模型,并进行了状态反馈控制器和模糊控制器的设计.通过Simulink对倒立摆系统进行了建模仿真和对系统控制... 为了实现对单级倒立摆非线性不稳定系统的稳定控制,采用极点配置和模糊控制理论中的T-S模糊模型两种方法建立倒立摆系统的状态方程模型,并进行了状态反馈控制器和模糊控制器的设计.通过Simulink对倒立摆系统进行了建模仿真和对系统控制效果的分析,结果表明:这两种模型均解决了非线性系统问题,实现了对单级倒立摆的稳定控制,并且结构简单,稳定性和快速性很好,对于其它非线性不稳定系统的控制提供了一种有效的途径. 展开更多
关键词 非线性系统 单级倒立摆 极点配置 T-S模糊控制模型 SIMULINK仿真
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直线柔性二级倒立摆的LQR控制系统设计 被引量:1
19
作者 赵文龙 周鹏飞 《南昌航空大学学报(自然科学版)》 CAS 2015年第1期77-82,共6页
由于直线二级柔性倒立摆闭环系统是自不稳定的系统,而且柔性连接处的弹簧影响了系统的响应频率。先根据拉格朗日方程列出系统的状态方程,然后根据最优控制理论设计LQR控制器。利用MATLAB工具计算出系统的状态反馈向量。在MATLAB中将所... 由于直线二级柔性倒立摆闭环系统是自不稳定的系统,而且柔性连接处的弹簧影响了系统的响应频率。先根据拉格朗日方程列出系统的状态方程,然后根据最优控制理论设计LQR控制器。利用MATLAB工具计算出系统的状态反馈向量。在MATLAB中将所得到的反馈向量反馈给状态方程,运行后分析仿真曲线达到了预期效果。最后编写MATLAB和VC两个版本的上位机控制程序,反复调试后实现了对倒立摆稳定控制的要求。 展开更多
关键词 直线柔性二级倒立摆 建模仿真 线性二次调节器控制
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基于运动发散分量的四足机器人步态规划 被引量:6
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作者 刘明敏 曲道奎 +3 位作者 徐方 邹风山 贾凯 宋吉来 《浙江大学学报(工学版)》 EI CAS CSCD 北大核心 2021年第2期244-250,409,共8页
为了使四足机器人在出现较大的轨迹跟踪误差时仍然可以稳定运动,提出基于运动发散分量(DCM)的在线步态规划方法.将四足机器人抽象成三维线性倒立摆模型(LIPM),根据离线规划的落脚点,应用DCM方法论递推出保持DCM有界的参考轨迹;在满足步... 为了使四足机器人在出现较大的轨迹跟踪误差时仍然可以稳定运动,提出基于运动发散分量(DCM)的在线步态规划方法.将四足机器人抽象成三维线性倒立摆模型(LIPM),根据离线规划的落脚点,应用DCM方法论递推出保持DCM有界的参考轨迹;在满足步幅约束、零力矩点(ZMP)约束的条件下,步态规划运用宽松初始状态模型预测控制在线优化出可快速收敛到参考轨迹上的落脚点以及期望状态轨迹;全身运动控制器通过构建二次规划优化出满足运动约束、动力学约束、摩擦力约束等条件下跟踪期望状态轨迹的力矩.通过仿真验证以上算法,仿真结果表明:与经典模型预测控制相比,宽松初始状态模型预测控制可以承受较大的轨迹跟踪误差,四足机器人可以在出现较大的轨迹跟踪误差时以troting步态稳定运动并尽快收敛到离线规划的轨迹上. 展开更多
关键词 四足机器人 步态规划 运动发散分量(DCM) 线性倒立摆模型(lipm) 零力矩点(ZMP)
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