[發(fā)明專(zhuān)利]一種兩輪自平衡電動(dòng)車(chē)系統(tǒng)控制器的設(shè)計(jì)方法

有效

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 201410467206.5
• 申請(qǐng)日: 2014-09-12
• 公開(kāi)（公告）號(hào): CN104181817B
• 公開(kāi)（公告）日: 2017-02-15
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 齊本勝;蕭旋旋;洪鑫;苗紅霞
• 申請(qǐng)（專(zhuān)利權(quán)）人: 河海大學(xué)常州校區(qū)
• 主分類(lèi)號(hào): G05B13/04
• 分類(lèi)號(hào): G05B13/04
• 代理公司: 常州市科誼專(zhuān)利代理事務(wù)所32225
• 代理人: 袁興隆

1.一種新型的兩輪自平衡電動(dòng)車(chē)系統(tǒng)控制器的設(shè)計(jì)方法，其特征在于，包括以下步驟：

1)建立兩輪自平衡電動(dòng)車(chē)系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型；

2)用試湊法仿真建立兩輪自平衡電動(dòng)車(chē)系統(tǒng)的線性二次最優(yōu)控制器雛形；

3)運(yùn)用量子遺傳算法優(yōu)化控制器參數(shù)；

4)將優(yōu)化后的控制器參數(shù)代入系統(tǒng)，得到更加完善的線性二次最優(yōu)控制器。

2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種新型的兩輪自平衡電動(dòng)車(chē)系統(tǒng)控制器的設(shè)計(jì)方法，其特征在于：所述的建立兩輪自平衡電動(dòng)車(chē)數(shù)學(xué)模型，使用的方法是用拉格朗日方程建模。

3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的一種兩輪自平衡電動(dòng)車(chē)系統(tǒng)控制器的設(shè)計(jì)方法，其特征在于：所述的用拉格朗日方程建模，包括以下步驟：

(3.1)確定模型的各個(gè)物理量，包括：車(chē)輪的移動(dòng)動(dòng)能T₁、轉(zhuǎn)動(dòng)動(dòng)能T₂、車(chē)體的移動(dòng)動(dòng)能T₃、轉(zhuǎn)動(dòng)動(dòng)能T₄、車(chē)體內(nèi)的直流減速電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)動(dòng)能T₅，系統(tǒng)總勢(shì)能V，并得出拉格朗日函數(shù)表達(dá)式：L＝T-V＝T₁+T₂+T₃+T₄+T₅-V；其中L為拉格朗日量，T是系統(tǒng)總動(dòng)能，T＝T₁+T₂+T₃+T₄+T₅；

(3.2)代入拉格朗日方程得出相應(yīng)的方程組；

其中，是拉格朗日量，q＝(q₁,q₂…,q_N)是廣義坐標(biāo)的廣義變量、F是廣義外力、F_θ是車(chē)輛前進(jìn)的主動(dòng)力、F_φ是車(chē)體繞轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)動(dòng)的主動(dòng)力、是車(chē)輪的轉(zhuǎn)動(dòng)主動(dòng)力；

(3.3)對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行線性化，化簡(jiǎn)方程組；

(3.4)選取車(chē)體傾斜角度φ、車(chē)體傾斜角速度車(chē)輪轉(zhuǎn)過(guò)角度θ、車(chē)輪轉(zhuǎn)動(dòng)角速度整車(chē)轉(zhuǎn)動(dòng)角度和整車(chē)轉(zhuǎn)角角速度作為系統(tǒng)的狀態(tài)變量,便可得出車(chē)輛的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)方程組。

U_l、U_r為驅(qū)動(dòng)兩個(gè)車(chē)輪的兩個(gè)直流電動(dòng)機(jī)的電樞電壓，A、B、C、D為狀態(tài)方程的系數(shù)矩陣。

(3.5)判斷系統(tǒng)模型的能控和能觀性。

4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的一種新型的兩輪自平衡電動(dòng)車(chē)系統(tǒng)控制器的設(shè)計(jì)方法，其特征在于：所述步驟(3.5)的具體操作為：

(4.1)得到步驟(3.4)的狀態(tài)方程組的系數(shù)矩陣A、B、C、D；

(4.2)利用Matlab命令ctrb、obsv得出兩輪自平衡電動(dòng)車(chē)的可控矩陣、可觀矩陣；

(4.3)利用Matlab命令rank求得可控和可觀矩陣的秩，根據(jù)矩陣是否滿秩判斷系統(tǒng)是否可控可觀的。

5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種新型的兩輪自平衡電動(dòng)車(chē)系統(tǒng)控制器的設(shè)計(jì)方法，其特征在于：在所述步驟2)中，包括以下步驟：

(5.1)根據(jù)二次型性能指標(biāo)函數(shù)，初步確定對(duì)角線矩陣加權(quán)陣Q和R；

(5.2)用Simulink仿真軟件，給系統(tǒng)任意一個(gè)輸入，得到系統(tǒng)的響應(yīng)結(jié)果曲線。通過(guò)反復(fù)試湊Q和R陣對(duì)角線元素值，選擇符合性能指標(biāo)要求的值；

(5.3)由系統(tǒng)狀態(tài)方程組中的系數(shù)矩陣A,B，以及線性二次型最優(yōu)控制器加權(quán)矩陣Q、R，在Matlab中運(yùn)用命令K＝lqr(A,B,Q,R)，求取使得二次型性能指標(biāo)為最小值的全狀態(tài)反饋增益陣K，由此使用全狀態(tài)反饋控制器設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)此閉環(huán)控制系統(tǒng)。