旋转二级倒立摆的平衡控制方法、系统及存储介质技术方案

本发明专利技术涉及倒立摆控制实验技术领域，特别是一种旋转二级倒立摆的平衡控制方法、系统及存储介质。根据当前旋转二级倒立摆的当前总能量，以及两根摆杆的当前旋向，判断是否进行起摆控制；再根据起摆控制模型控制中心转动主杆转动，以实现两根摆杆起摆；最后，根据稳摆控制模型控制两根摆杆，以实现稳摆。本发明专利技术通过起摆控制模型、稳摆控制模型实现了旋转二级倒立摆的起摆和稳摆控制，起摆与稳摆过渡过程也能平稳切换，控制逻辑简单易于实现，控制稳定性强。同时，针对旋转二级摆的特殊的起摆条件进行进一步分析，两根摆杆在不同状态下，均给出了具体起摆控制方法。了具体起摆控制方法。了具体起摆控制方法。

【技术实现步骤摘要】
旋转二级倒立摆的平衡控制方法、系统及存储介质


[0001]本专利技术涉及倒立摆控制实验
，特别是一种旋转二级倒立摆的平衡控制方法、系统及存储介质。

技术介绍

[0002]随着控制理论、计算机技术、以及信息技术的飞速发展很多新的理论和控制算法不断地出现倒立摆系统逐渐被人们用来检验控制方法的有效性。通过人们的不断研究拓展.倒立摆系统已经由一级发展到了二级、三级、四级乃至更多级,并且产生了平面倒立摆、平行倒立摆、环形倒立摆等多样式倒立摆,其控制手段也是多种多样的。由于其结构简单,价格低廉.物理结构和参数容易调整等特点在工业和航天业中的控制系统中倒立摆系统有很大的应用舞台，对倒立摆系统理论的研究都有着深远的意义是人们生活、学习、以及对于控制方法和理论的验证具有非常大的意义。
[0003]任何理论的研究都是为了适应现实的需要,倒立摆系统也是一样,它的理论研究具有很重要的工业、军事和经济背景。尽管在三十年前在美国已经问世了第一台机器人,但是机器人的行走控制技术至今还未很好的解决,它的站立和行走正是类似于双倒立摆系统；同时对火箭、卫星等飞行器的姿态的控制、用消除震动来提高侦察卫星皮摄图片的质量.也是应用倒立摆系统，还有在人们生活中广泛应用的时尚的电动平衡车的原理也是类似倒立摆系统。亦或是为防止单级火箭在拐弯时断裂而诞生的柔性多级火箭。其飞行姿态的控制也可以用多级倒立摆系统进行研究。由于倒立摆系统在军工、航天、机器人领域和一般工业过程中中具有重要的应用作用,所以对于倒立摆的研究具有非常大的价值。
[0004]目前，对倒立摆的研究更多的朝向二级、三级、四级乃至更多级的复杂化方向进行，针对旋转倒立摆的研究较少。在CN218384311U中公开了一件名为“环形倒立摆实验装置”的技术专利，但它仅提供了实现旋转倒立摆的机械结构，并未公开具体的控制方法。

技术实现思路

[0005]本专利技术的第一个目的就是提供一种旋转二级倒立摆的平衡控制方法，它可以控制旋转二级倒立摆起罢和稳摆。
[0006]本专利技术的第一个目的是通过这样的技术方案实现的，所述旋转二级倒立摆包括有中心转动主杆和两根分别位于中心转动主动两侧的摆杆，两根摆杆可跟随中心转动主杆的转动倒立起摆并保持平衡稳摆，具体控制方法如下：
[0007]针对旋转二级倒立摆建立起摆控制模型和稳摆控制模型；
[0008]根据起摆控制模型控制中心转动主杆转动，以实现两根摆杆起摆；
[0009]起摆后，根据稳摆控制模型控制两根摆杆，以实现稳摆。
[0010]该设计的优点在于，本专利技术通过起摆控制模型、稳摆控制模型实现了旋转二级倒立摆的起摆和稳摆控制，起摆与稳摆过渡过程也能平稳切换，控制逻辑简单易于实现，控制
稳定性强。
[0011]进一步，在控制中心转动主杆转动，以实现两根摆杆起摆之前，还包括有以下步骤：
[0012]计算当前旋转二级倒立摆的当前总能量，判断当前总能量是否超出起摆能量阈值；
[0013]若未超出起摆能量阈值，采用起摆控制模型控制中心转动主杆转动，以实现两根摆杆起摆；
[0014]若超出起摆能量阈值，则对两根摆杆进行旋向判断：
[0015]若两根摆杆旋向相反，对两根摆杆进行同时能量衰减控制，直至衰减至起摆阈值内，再采用起摆控制模型控制中心转动主杆转动，以实现两根摆杆起摆；
[0016]若两根摆杆旋向相同，待两根摆杆自然能量衰减，直至衰减至起摆阈值内，再采用起摆控制模型控制中心转动主杆转动，以实现两根摆杆起摆。
[0017]该设计的优点在于，针对旋转二级摆的特殊的起摆条件进行进一步分析，两根摆杆在不同状态下，均给出了具体起摆控制方法。旋转二级摆不同于一般的倒立二级摆，在研究旋转二级摆的过程中，如果忽略两根摆杆的当前状态，直接起摆，会出现无法起摆或起摆时间被大幅度延长的情况，针对这个问题进行了若干次试验配合问题分类和推导，才提出了有效的解决方法。
[0018]进一步地，起摆控制模型采用基于李雅普诺夫函数的能量法，以实现两根摆杆起摆的控制，具体控制公式为：
[0019][0020]式中，τ0为系统输入转矩，其中τ0为输入转矩，f0为连杆0转动摩擦力，k为设计参数，G为重力矩阵。
[0021]进一步地，两根摆杆满足以下条件时，根据稳摆控制模型控制两根摆杆，以实现稳摆：
[0022]|θ1|≤θ
1sw
,|θ2|≤θ
2sw
,|E1|+|E2|≤E
sw
[0023]θ1和θ2分别为第一摆杆和第二摆杆的倾角，E1和E2分别为第一摆杆和第二摆杆的能量，E
sw
为能量阈值，θ
1sw
和θ
2sw
分别为第一摆杆和第二摆杆的倾角阈值。
[0024]进一步地，所述稳摆控制模型为最优控制器模型，其控制公式为：
[0025][0026]式中，τ0为系统输入转矩，F为最优控制反馈增益矩阵，为系统状态向量。
[0027]进一步地，所述稳摆控制模型为非线性最优控制器模型，其控制公式为：
[0028][0029]式中，τ0为系统输入转矩，F
s
为非线性最优控制反馈增益矩阵，x
s
为系统非线性状态向量。
[0030]本专利技术的第二个目的就是提供一种旋转二级倒立摆的平衡控制系统。
[0031]本专利技术的第二个目的是通过这样的技术方案实现的，它包括有起摆控制模块，控制中心转动主杆转动，以实现两根摆杆的起摆；
[0032]稳摆判断模块，根据两根摆杆的当前状态，判断是否进行稳摆控制；
[0033]稳摆控制模块，根据稳摆判断模块的稳摆判断，控制中心转动主杆转动，以实现两根摆杆的稳摆。
[0034]进一步，所述系统还包括有：
[0035]起摆判断模块，根据当前旋转二级倒立摆的当前总能量，以及两根摆杆的当前旋向，判断是否进行起摆控制。
[0036]本专利技术的第三个目的就是提供一种存储介质，所述存储介质存储有若干指令，所述指令适用于处理器进行加载，以上述方法。
[0037]本专利技术的其他优点、目标和特征在某种程度上将在随后的说明书中进行阐述，并且在某种程度上，基于对下文的考察研究对本领域技术人员而言将是显而易见的，或者可以从本专利技术的实践中得到教导。本专利技术的目标和其他优点可以通过下面的说明书和权利要求书来实现和获得。
附图说明
[0038]本专利技术的附图说明如下。
[0039]图1为本专利技术的控制流程示意图；
[0040]图2为旋转二级倒立摆的结构示意图；
[0041]图3为旋转二级倒立摆的双上摆动相定义示意图；
[0042]图4为旋转二级倒立摆的双下摆动相定义示意图。
具体实施方式
[0043]下面结合附图和实施例对本专利技术作进一步说明。
[0044]如图1、图2所示，一种旋转二级倒立摆的平衡控制方法，具体步骤如下：...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种旋转二级倒立摆的平衡控制方法，所述旋转二级倒立摆包括有中心转动主杆和两根分别位于中心转动主动两侧的摆杆，两根摆杆可跟随中心转动主杆的转动倒立起摆并保持平衡稳摆，其特征在于，具体控制方法如下：针对旋转二级倒立摆建立起摆控制模型和稳摆控制模型；根据起摆控制模型控制中心转动主杆转动，以实现两根摆杆起摆；起摆后，根据稳摆控制模型控制两根摆杆，以实现稳摆。2.如权利要求1所述的旋转二级倒立摆的平衡控制方法，其特征在于，在控制中心转动主杆转动，以实现两根摆杆起摆之前，还包括有以下步骤：计算当前旋转二级倒立摆的当前总能量，判断当前总能量是否超出起摆能量阈值；若未超出起摆能量阈值，采用起摆控制模型控制中心转动主杆转动，以实现两根摆杆起摆；若超出起摆能量阈值，则对两根摆杆进行旋向判断：若两根摆杆旋向相反，对两根摆杆进行同时能量衰减控制，直至衰减至起摆阈值内，再采用起摆控制模型控制中心转动主杆转动，以实现两根摆杆起摆；若两根摆杆旋向相同，待两根摆杆自然能量衰减，直至衰减至起摆阈值内，再采用起摆控制模型控制中心转动主杆转动，以实现两根摆杆起摆。3.如权利要求1所述的旋转二级倒立摆的平衡控制方法，其特征在于，起摆控制模型采用基于李雅普诺夫函数的能量法，以实现两根摆杆起摆的控制，具体控制公式为：式中，τ0为系统输入转矩，其中τ0为输入转矩，f0为连杆0转动摩擦力，k为设计参数，G为重力矩阵。4.如权利要求1所述的旋转二级倒立摆的平衡控制方法，其特征在于，两根摆杆满足以下条件时，根据稳摆控制模型控制两根摆杆，以实现稳摆：|θ1|≤θ
1sw
,|θ2|...

【专利技术属性】
技术研发人员：李杨杨，尹浩庭，马新宝，
申请(专利权)人：合肥中科深谷科技发展有限公司，
类型：发明
国别省市：