一种多小车单级倒立摆系统的一致性控制方法及装置制造方法及图纸

本发明专利技术公开了一种多小车单级倒立摆系统的一致性控制方法及装置，该方法包括S1、设置第l个小车单级倒立摆为领航者，设置N个小车单级倒立摆为所述领航者的跟随者；S2、根据以下算法确定N个跟随者中的第i个跟随者的反馈控制力ui：

【技术实现步骤摘要】
一种多小车单级倒立摆系统的一致性控制方法及装置
本专利技术涉及一种多小车单级倒立摆系统的一致性控制方法及装置。
技术介绍
在多智能体系统的协同控制问题中，多个智能体通过信息通信等方式相互作用，以实现期望的整体目标。与单个智能体系统相比，多智能体系统具有更强的灵活性和更高的可靠性等。多智能体系统的协同控制在卫星编队控制、传感器网络信息融合、复杂动态网络的同步控制、拥塞控制、智能交通控制等领域有着重要的应用前景。一致性问题是多智能体系统协同控制中的基本问题，其目的是使得所有智能体的某些状态量趋于相同的值。一致性控制的目标是通过设计适当的一致性算法，使得每个智能体能基于局部信息实现所有智能体的某些状态趋于一致。为了实现一致性，智能体之间需要交换必要的状态信息(比如，编队控制中车辆的位置、速度等)，因而信息的可靠传输和接收是保证所有智能体的状态收敛于相同值的前提条件。当多个智能体的信息经由无线网络进行传输时，由于网络时滞或可能发生的数据丢包等问题，使得系统的性能和可靠性受网络环境因素的影响。另外，为提高频谱的使用率需要多个智能体共享无线通信信道，从而引发了无线网络的分配和竞争问题。解决这一问题的方法是设计介质访问控制协议，以确保多个智能体的必要状态信息在一个采样周期内能被成功传输和接收。倒立摆为欠驱动的不稳定系统，对信息的实时性要求较高，是控制领域中设计和测试控制策略常用的实验装置。研究共享无线网络的多个倒立摆的一致性控制问题能有效地验证一致性算法的有效性和介质访问控制协议在解决信息冲突问题上的可靠性。
技术实现思路
为了克服现有技术的不足，本专利技术提供了一种多小车单级倒立摆系统的一致性控制方法及装置，使得各倒立摆保持稳定状态并达到状态一致。一种多小车单级倒立摆系统的一致性控制方法，S1、设置第l个小车单级倒立摆为领航者，设置N个小车单级倒立摆为所述领航者的跟随者；S2、根据以下算法确定N个跟随者中的第i个跟随者的反馈控制力ui：其中，xi表示第i个跟随者的状态向量，xj表示第j个小车单级倒立摆的状态向量，xl表示领航者的状态向量，aij表示xj与xi之间的权重系数，ail表示xl与xi之间的权重系数，K表示领航者的反馈状态向量；若所述第i个跟随者能够从第j个小车单级倒立摆获取第j个小车单级倒立摆的状态向量，则aij＝1，否则aij＝0；S3、利用反馈控制力ui对第i个跟随者进行控制。优选的，领航者与跟随者之间、领航者与领航者之间的通信采用基于协议序列的介质访问控制协议。优选的，根据如下算法计算K：K＝c(R+HTPH)-1HTPG；其中，矩阵P是下面代数黎卡提方程的解：P-GTPG+(1-ζ2)GTPH(R+HTPH)-1HTPG+Q＝0；其中，R控制能量消耗的权重值；H和G是小车倒立摆系统的模型参数矩阵；c是对小车倒立摆间耦合强度的权重因数，Q为正定矩阵或半正定实对称矩阵，R为正定实对称矩阵，c满足如下不等式：其中，是矩阵的复数特征根，L为描述所有跟随小车倒立摆系统之间关系的图拉普拉斯矩阵；代表系统参数矩阵G的不稳定特征根；其中,参数优选的，若第k+1时刻所述某个跟随者的状态向量与第k个时刻某个跟随者的状态向量x[k]满足如下关系，则判断N个跟随者与领航者达到了一致性：其中，IN表示NxN的单位矩阵。本专利技术还提供了一种多小车单级倒立摆系统的一致性控制装置，第一处理单元，用于设置第l个小车单级倒立摆为领航者，设置N个小车单级倒立摆为所述领航者的跟随者；第二处理单元，用于根据以下算法确定N个跟随者中的第i个跟随者的反馈控制力ui：其中，xi表示第i个跟随者的状态向量，xj表示第j个小车单级倒立摆的状态向量，xl表示领航者的状态向量，aij表示xj与xi之间的权重系数，ail表示xl与xi之间的权重系数，K表示领航者的反馈状态向量；若所述第i个跟随者能够从第j个小车单级倒立摆获取第j个小车单级倒立摆的状态向量，则aij＝1，否则aij＝0；第三处理单元，用于利用反馈控制力ui对第i个跟随者进行控制。优选的，领航者与跟随者之间、领航者与领航者之间的通信采用基于协议序列的介质访问控制协议。优选的，根据如下算法计算K：K＝c(R+HTPH)-1HTPG；其中，矩阵P是下面代数黎卡提方程的解：P-GTPG+(1-ζ2)GTPH(R+HTPH)-1HTPG+Q＝0其中，R控制能量消耗的权重值；H和G是小车倒立摆系统的模型参数矩阵；c是对小车倒立摆间耦合强度的权重因数，Q为正定矩阵或半正定实对称矩阵，R为正定实对称矩阵，c满足如下不等式：其中，是矩阵的复数特征根，L为描述所有跟随小车倒立摆系统之间关系的图拉普拉斯矩阵；代表系统参数矩阵G的不稳定特征根；其中,参数优选的，若第k+1时刻所述某个跟随者的状态向量与第k个时刻某个跟随者的状态向量x[k]满足如下关系，则判断N个跟随者与领航者达到了一致性：本专利技术的有益效果是：在控制多个小车倒立摆的状态趋于一致的同时需控制倒立摆的稳定，使得各倒立摆保持稳定状态并达到状态一致。采用基于协议序列的介质访问控制协议，并应用广义质系列(GeneralizedPrimeSequences)的方法构造协议序列，以确保各小车倒立摆的状态信息能在一个采样周期内被成功传输和接收，保障系统通信拓扑结构的确定性和可靠性，从而保证所提出的一致性算法的有效性。【具体实施方式】以下对专利技术的较佳实施例作进一步详细说明。(一)多个小车倒立摆系统的一致性控制一阶小车倒立摆系统由嵌入式控制器、电机驱动电路、伺服电机、摆杆和光电码盘几个主要部分组成一个闭环系统。光电码盘将连杆的角度、角速度信号反馈给嵌入式控制器，摆杆的角度、角速度信号亦由光电码盘反馈回嵌入式控制器。嵌入式控制器接收实时数据，并根据控制决策计算出相应的控制量，以驱动伺服电机转动，从而带动连杆运动，保持摆杆在竖直方向上的平衡。在忽略了空气阻力和各种摩擦力之后，可将直线一级倒立摆系统抽象成一个由小车和匀质杆组成的系统。假设摆杆与垂直向上方向之间的夹角θ(单位为弧度)与1相比很小，即θ＜＜1，从而进行近似处理：cosθ≈1，sinθ≈θ，按照此假设，对一阶小车倒立摆系统的动力学模型在平衡点附近进行线性化处理。令xi＝[θ,θ,x,x]T，第i个小车倒立摆系统在连续时间域内的状态空间方程为：即，系统的动力学模型为：其中M为小车质量，m为摆杆质量，L为摆杆转动轴心到杆质心的长度，I为摆杆惯量，ui为加在小车i上的力，p为小车位置，θ为摆杆与垂直向上方向的夹角(考虑到摆杆初始位置为竖直向上)，b为小车摩擦系数，bp为小车与地面的摩擦力。系统由数字控制器实现稳定，因此我们对连续时间系统(2)进行采样，采样时间为Ts，则第i个小车倒立摆系统的离散时间状态方程为：其中，是离散化后小车倒立摆系统的参数矩阵,ui是控制量，xi[k]＝[θ,Δθ,p,Δp]T为系统的状态量，状态量θ，Δθ，p，Δp分别代表摆杆角度、摆杆角速度、小车位移和小车速度，输出yi＝[θp]T包括摆杆角度与小车位移。考虑系统是完全可控的。根据单个小车倒立摆的状态方程(3)，N个小车倒立摆系统的状态方程可写为：其中uS[k]＝[u1,u2,…,uN]T，假设N个小车倒立摆是相同的，则Gi＝G本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种多小车单级倒立摆系统的一致性控制方法，其特征是：S1、设置第l个小车单级倒立摆为领航者，设置N个小车单级倒立摆为所述领航者的跟随者；S2、根据以下算法确定N个跟随者中的第i个跟随者的反馈控制力ui：

【技术特征摘要】
1.一种多小车单级倒立摆系统的一致性控制方法，其特征是：S1、设置第l个小车单级倒立摆为领航者，设置N个小车单级倒立摆为所述领航者的跟随者；S2、根据以下算法确定N个跟随者中的第i个跟随者的反馈控制力ui：其中，xi表示第i个跟随者的状态向量，xj表示第j个小车单级倒立摆的状态向量，xl表示领航者的状态向量，aij表示xj与xi之间的权重系数，ail表示xl与xi之间的权重系数，K表示领航者的反馈状态向量；若所述第i个跟随者能够从第j个小车单级倒立摆获取第j个小车单级倒立摆的状态向量，则aij＝1，否则aij＝0；S3、利用反馈控制力ui对第i个跟随者进行控制。2.如权利要求1所述的多小车单级倒立摆系统的一致性控制方法，其特征是：领航者与跟随者之间、领航者与领航者之间的通信采用基于协议序列的介质访问控制协议。3.如权利要求1所述的多小车单级倒立摆系统的一致性控制方法，其特征是，根据如下算法计算K：K＝c(R+HTPH)-1HTPG；其中，矩阵P是下面代数黎卡提方程的解：P-GTPG+(1-ζ2)GTPH(R+HTPH)-1HTPG+Q＝0；其中，R控制能量消耗的权重值；H和G是小车倒立摆系统的模型参数矩阵；c是对小车倒立摆间耦合强度的权重因数，Q为正定矩阵或半正定实对称矩阵，R为正定实对称矩阵，c满足如下不等式：其中，j＝1,2,...,N是矩阵的复数特征根，L为描述所有跟随小车倒立摆系统之间关系的图拉普拉斯矩阵；j＝1,2...,4代表系统参数矩阵G的不稳定特征根；其中,参数4.如权利要求3所述的多小车单级倒立摆系统的一致性控制方法，其特征是，若第k+1时刻所述某个跟随者的状态向量与第k个时刻某个跟随者的状态向量x[k]满足如下关系，则判断N个跟随者与领航者达到了一致性：其中，IN表示NxN的单位矩阵。...

【专利技术属性】
技术研发人员：成慧，黄永成，刘中常，
申请(专利权)人：香港中文大学深圳研究院，
类型：发明
国别省市：广东,44