[发明专利]基于广义系统模型的倒立摆无源自适应滑模控制方法

说明书

一种基于广义系统模型的倒立摆无源自适应滑模控制方法，通过对倒立摆‑直流电动机体系进行受力分析与电路分析，建立倒立摆‑直流电动机体系的状态空间描述；进而提出适用于各种复杂工况且便于分析与综合的倒立摆广义系统模型；进一步，针对倒立摆广义系统模型进行状态增广变换；基于增广后的系统，设计积分型滑模面并导出滑动模态；根据确保滑动模态稳定无源的线性矩阵不等式条件，计算待定参数矩阵并用算出的参数设置滑模面及控制器；最后，基于原始状态、增广状态、时滞状态、增益的信息更新自适应滑模控制器u(t)，加在直流电动机上的电压按u(t)取，直流电动机通过齿轮传动控制倒立摆，从而实现倒立摆系统状态稳定且无源。本发明能够通过直流电动机对倒立摆系统进行有效控制。

技术领域

本发明涉及的是一种倒立摆控制领域的技术，具体是一种适用于无人机、受限机器人系统、水下机器人的遥操作、航空航天等领域的基于广义系统模型的倒立摆无源自适应滑模控制方法。

背景技术

倒立摆作为一种多变量、不稳定、非线性的复杂系统，运行时不可避免地遇到参数不确定、时滞、非线性负载、外部干扰这些影响因素，所以对其建模、分析与控制有一定的难度。由于倒立摆系统复杂且含较多扰动，采用直流电动机加传统的控制方案难以达到理想的控制效果。多种控制手段结合是倒立摆控制系统研究的发展趋势，其中：无源控制有利于降低噪声干扰，在研究非线性、不确定系统的稳定性时，无源性理论是一种有效的工具，特别是针对高阶系统。而且，无源控制、自适应控制、滑模控制之间有很好的互补性，有必要综合应用。但是，到目前为止，存在的技术方法大都采取一两种手段进行控制设计，尚未有综合运用上述各种先进控制手段并基于李雅普诺夫分析方法对倒立摆进行有效控制。此外，在倒立摆系统中，非线性负载与外部干扰的界的参数通常难以获得，如何估计界的参数并自动调整有待解决。

发明内容

本发明针对倒立摆系统可能受到不确定性、时滞、非线性负载、外部干扰等不良因素影响的问题，提出一种基于广义系统模型的倒立摆无源自适应滑模控制方法，充分考虑了倒立摆系统同时含非线性、时变时滞、外部干扰，以及参数不确定性的情形，建立了原系统与增广系统稳定无源的条件，确保状态收敛、系统稳定，最终实现系统对非线性负载变化和系统参数不确定性的适应性和鲁棒性，抑制了系统外部干扰与时滞的影响。另外，本发明将滑模控制器的切换项进行分数化处理，从而有效降低抖振。本发明通过调控加在直流电动机上的电压，进而直流电动机通过齿轮传动控制倒立摆，实现倒立摆系统稳定且无源。

本发明是通过以下技术方案实现的：

本发明涉及一种基于广义系统模型的倒立摆无源自适应滑模控制方法，通过建立倒立摆-直流电动机体系的状态空间描述，进而引入同时存在不确定性、时滞、外部干扰、非线性负载的倒立摆广义系统模型，进行状态增广变换，基于增广后的系统设计积分型滑模面并导出滑动模态，进一步，根据确保滑动模态稳定无源的线性矩阵不等式条件，计算待定参数矩阵并用算出的参数设置滑模面及控制器，基于原始状态、增广状态、时滞状态、增益的信息更新自适应滑模控制器(即加在直流电动机上的电压)，直流电动机通过齿轮传动控制倒立摆，从而实现倒立摆系统状态稳定且无源。

技术效果

本发明整体解决了现有控制方法无法适应复杂工况，即在倒立摆系统同时含参数不确定、时滞、非线性负载、外部干扰或含某些影响因素时，难以采用合适良好的控制策略镇定系统的问题，尤其是使用直流电动机时。