针对电动平衡车的有限时间跟踪控制方法及系统技术方案

本发明专利技术公开了针对电动平衡车的有限时间跟踪控制方法及系统，包括：针对电动平衡车，建立动力学方程；使用解耦方式对动力学方程的未知非线性函数进行处理，得到虚拟控制器和自适应律；根据虚拟控制器和自适应律，确定有限时间自适应跟踪控制器；获取待控制电动平衡车当前时刻的摆角，并得到当前时刻的转矩；根据设计的有限时间自适应跟踪控制器和当前时刻的转矩，得到输出摆角，使得平衡车的摆角复位，实现对电动平衡车的控制从而达到平衡驾驶。不仅能确保系统状态变量在有限的时间内快速收敛到平衡，而且还能提高系统的鲁棒性并且减少近似误差的影响。似误差的影响。似误差的影响。

【技术实现步骤摘要】
针对电动平衡车的有限时间跟踪控制方法及系统


[0001]本专利技术涉及非线性系统控制
，特别是涉及针对电动平衡车的有限时间跟踪控制方法及系统。

技术介绍

[0002]本部分的陈述仅仅是提到了与本专利技术相关的
技术介绍
，并不必然构成现有技术。
[0003]纯反馈非线性系统是具有非仿射特性的一类较严格反馈非线性系统更一般的下三角型非线性系统，在实际应用中广泛存在，比如机械系统，化学系统和飞行器系统等。同时，由于系统的非仿射结构，使得适合于严格反馈非线性系统的控制器设计方法很难直接用于纯反馈非线性系统控制。在过去的几十年的研究中，已针对严格反馈非线性系统报道了许多自适应反推设计方案，而对于纯反馈非线性系统的有限时间控制的研究还不够全面，无法达到本专利技术期望的结果。在最近几年来，有限时间自适应控制方案已经开发。但是大部分学者提出的有限时间控制策略是仅适用于严格反馈系统，而不适用于纯反馈系统。也有部分学者开始研究纯反馈系统的有限时间跟踪控制，但是都是基于利用微分中值定理将系统从纯反馈形式转换为严格反馈形式，然后采用模糊逻辑系统对未知函数进行建模。
[0004]为了简化纯反馈系统的设计控制输入，以前的研究中常使用差分中值定理来处理未知的非仿射非线性函数。这要求本专利技术对非仿射函数的偏导数必须进行限制性假设。不幸的是，众所周知，非光滑非线性存在于广泛的实际控制系统中，这导致非仿射函数的不可微性。然而，非仿射函数必须是可微的这一假设对于实际系统而言过于严格，以致于无法在实际应用中轻松获得。
[0005]当前关于非线性系统的结果已经有渐近稳定的研究，但是与渐近稳定不同，有限时间稳定可以确保系统状态变量在有限的时间内迅速收敛到平衡。显然，有限时间控制方案将使系统具有更好的瞬态响应。从理论上讲，非有限时间控制策略可以保证系统输出的性能。然而，在实际工程中，控制目标有望达到在有限的时间内实现。无限时间控制方案无法完成这样的控制目标，因为它们导致长瞬态响应。
[0006]电动平衡车，又叫体感车、思维车、摄位车等。其运作原理主要是建立一种非线性系统动态稳定。利用车体内部的陀螺仪和加速度传感器，来检测车体姿态的变化，并利用伺服控制，精确地驱动电机进行相应的调整，以保持系统的平衡。两轮电动平衡车采用两个轮子支撑，蓄电池供电，无刷电机驱动，加上单片机控制，姿态传感器采集角速度和角度信号，共同协调控制车体的平衡，仅仅依靠人体重心的改变便可以实现车辆的启动、加速、减速、停止等动作。电动平衡车的小巧方便，代步环保等特点使其在控制领域成为一个热点话题。
[0007]专利技术人发现，现有的电动平衡车的平衡控制方面不够精准，不能快速准确的实现电动平衡车的平衡角度恢复。

技术实现思路

[0008]为了解决现有技术的不足，本专利技术提供了针对电动平衡车的有限时间跟踪控制方
法及系统；考虑一类具有死区输入以及外部干扰的纯反馈非线性系统。设计了一种基于解耦技术的有限时间自适应控制方法，使系统具有较好的瞬态响应。
[0009]第一方面，本专利技术提供了针对电动平衡车的有限时间跟踪控制方法；
[0010]针对电动平衡车的有限时间跟踪控制方法，包括：
[0011]针对电动平衡车，建立动力学方程；
[0012]使用解耦方式对动力学方程的未知非线性函数进行处理，得到虚拟控制器和自适应律；
[0013]根据虚拟控制器和自适应律，确定有限时间自适应跟踪控制器；
[0014]获取待控制电动平衡车当前时刻的摆角，并得到当前时刻的转矩；根据设计的有限时间自适应跟踪控制器和当前时刻的转矩，得到输出摆角，使得平衡车的摆角复位，实现对电动平衡车的控制从而达到平衡驾驶。
[0015]第二方面，本专利技术提供了针对电动平衡车的有限时间跟踪控制系统；
[0016]针对电动平衡车的有限时间跟踪控制系统，包括：
[0017]方程建立模块，其被配置为：针对电动平衡车，建立动力学方程；
[0018]虚拟控制器和自适应律获取模块，其被配置为：使用解耦方式对动力学方程的未知非线性函数进行处理，得到虚拟控制器和自适应律；
[0019]自适应跟踪控制器确定模块，其被配置为：根据虚拟控制器和自适应律，确定有限时间自适应跟踪控制器；
[0020]输出模块，其被配置为：获取待控制电动平衡车当前时刻的摆角，并得到当前时刻的转矩；根据设计的有限时间自适应跟踪控制器和当前时刻的转矩，得到输出摆角，使得平衡车的摆角复位，实现对电动平衡车的控制从而达到平衡驾驶。
[0021]第三方面，本专利技术还提供了一种电子设备，包括：一个或多个处理器、一个或多个存储器、以及一个或多个计算机程序；其中，处理器与存储器连接，上述一个或多个计算机程序被存储在存储器中，当电子设备运行时，该处理器执行该存储器存储的一个或多个计算机程序，以使电子设备执行上述第一方面所述的方法。
[0022]第四方面，本专利技术还提供了一种计算机可读存储介质，用于存储计算机指令，所述计算机指令被处理器执行时，完成第一方面所述的方法。
[0023]与现有技术相比，本专利技术的有益效果是：
[0024](1)考虑一类具有非仿射非线性函数的纯反馈系统，它们的系统函数可能不可微。对此提出一种方法消除在研究纯反馈系统中使用微分中值定理的局限性，使本专利技术的方法能够比现有方法更广泛和实际地应用于工业或控制系统。
[0025](2)构造一个合适的控制器以在有限的时间内稳定系统，这不仅能确保系统状态变量在有限的时间内快速收敛到平衡，而且还能提高系统的鲁棒性并且减少近似误差的影响。
[0026](3)在控制器的设计过程中，采用适当的缩放技术来减少自适应参数的数量，从而使开发的结果更适合实际的操作过程，这也降低了设计过程的复杂性。最后，即使系统的控制方向未知，本专利技术的方法仍然可以使闭环系统中的所有信号均为半全局一致最终有界的。
[0027](4)获取待控制电动平衡车当前时刻的摆角，并得到当前时刻的转矩；根据设计的
有限时间自适应跟踪控制器和当前时刻的转矩，得到输出摆角，使得平衡车的摆角复位，实现对电动平衡车的控制从而达到平衡驾驶；本专利技术能够实现电动平衡车发生倾斜后，能够快速恢复平衡。
[0028]本专利技术附加方面的优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本专利技术的实践了解到。
附图说明
[0029]构成本专利技术的一部分的说明书附图用来提供对本专利技术的进一步理解，本专利技术的示意性实施例及其说明用于解释本专利技术，并不构成对本专利技术的不当限定。
[0030]图1是本申请实施例一设计的控制器系统的算法原理示意图；
[0031]图2是本申请实施例一设计的控制器系统的跟踪性能曲线图；
[0032]图3是本申请实施例一设计的控制器系统的跟踪误差曲线图；
[0033]图4是本申请实施例一系统状态变量曲线图；
[0034]图5是本申请实施例一自适应律1的曲线；
[0035]图本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.针对电动平衡车的有限时间跟踪控制方法，其特征是，包括：针对电动平衡车，建立动力学方程；使用解耦方式对动力学方程的未知非线性函数进行处理，得到虚拟控制器和自适应律；根据虚拟控制器和自适应律，确定有限时间自适应跟踪控制器；获取待控制电动平衡车当前时刻的摆角，并得到当前时刻的转矩；根据设计的有限时间自适应跟踪控制器和当前时刻的转矩，得到输出摆角，使得平衡车的摆角复位，实现对电动平衡车的控制从而达到平衡驾驶。2.如权利要求1所述的针对电动平衡车的有限时间跟踪控制方法，其特征是，所述针对电动平衡车，建立动力学方程；具体包括：其中，是系统状态，y∈R是系统输出，系统输出是指电动平衡车的摆角，u∈R是系统输入，系统输入是指电动平衡车的转矩；r
i
(t)和r
n
(t)是系统的外部扰动，是局部Lipschitz条件的参数未知光滑非仿射非线性系统函数。3.如权利要求1所述的针对电动平衡车的有限时间跟踪控制方法，其特征是，使用解耦方式对动力学方程的未知非线性函数进行处理，得到虚拟控制器和自适应律；具体包括：虚拟控制器α1：自适应律自适应律其中，设计常数a1,k1>0,0<η<1，γ1>0，Υ1>0；Ξ1是系统误差；是自适应参数，ξ1为神经网络基向量；虚拟控制器α
i
：自适应律自适应律其中，设计常数a
i
,k
i
>0,0<η<1，γ
i
>0，Υ
i
>0；Ξ
i
是系统误差；是自适应参数，ξ
i
为神经网络基向量。4.如权利要求1所述的针对电动平衡车的有限时间跟踪控制方法，其特征是，根据虚拟
控制器和自适应律，确定有限时间自适应跟踪控制器；具体包括：控制器和自适应律，确定有限时间自适应跟踪控制器；具体包括：其中，设计常数a
n
,k
n
>0,0<η<1，γ
n
>0，Υ
n
>0；Ξ
n
是系统误差；是自适应参数，ξ
n
为神经网络基向量。5.针对电动平衡车的有限时间跟踪控制系统，其特征是，包括：方程建立模块，其被配置为：针对电动平衡车，建立动力学方程；虚拟控制器和自适应律获取模块，其被配置为：使用解耦方式对动力学方程的未知非线性函数进行处理，得到虚拟控制器和自适应律；自适应跟踪控制器确定模块，其被配置为：根据虚拟控制器和自适应律，确定...

【专利技术属性】
技术研发人员：朱强强，王晓梅，陈文娣，牛奔，李圣涛，
申请(专利权)人：山东师范大学，
类型：发明
国别省市：