Otomatik Bozulma Reddine Dayalı İki Tekerli Otomatik Dengeleyici Aracın Kontrol Sistemi Üzerine Simülasyon Araştırması
Şarkı Yinmao, Wang Peng, Cao Weifeng
(Elektrik Bilgi Mühendisliği Okulu, Zhengzhou Hafif Sanayi Enstitüsü, Zhengzhou 450002, Henan)
: Farklı kullanıcıların boy ve ağırlık farkından kaynaklanan iki tekerlekli kendi kendini dengeleyen aracın yanlış sistem modeli problemini çözmek için, kontrolör sistemin zayıf kontrol stabilitesine sahiptir, iki tekerlekli kendi kendini dengeleyen aracın hareket dengesi kontrolüne otomatik bozulma reddi kontrol teknolojisi uygulanır. içinde. İlk olarak, Lagrangian yöntemi iki tekerlekli kendi kendini dengeleyen aracın dinamik modelini oluşturmak için kullanılır ve daha sonra sistemin özelliklerine dayanarak, iki tekerlekli dengeleme aracının kendi kendini dengeleyen kontrolünü gerçekleştirmek için aktif bozucu reddi kontrolörünün kontrol yasası türetilir. Son olarak, iki tekerlekli kendi kendini dengeleyen araç kontrol sisteminin Simulink simülasyon platformu oluşturuldu ve deneysel karşılaştırma için doğrusal otomatik bozulma reddetme kontrolü ve klasik otomatik bozulma reddetme kontrol yöntemleri kullanıldı. Test sonuçları gösteriyor ki: Klasik ADRC ile karşılaştırıldığında, yeni ADRC boy ve kilo değişikliklerinin olduğu ortama daha iyi uyum sağlayabilir ve otonom bir şekilde kararlı bir çalışma durumuna daha iyi ulaşabilir.
: Kendi kendini dengeleyen araç; model doğru değil; otomatik bozulma reddi kontrolü; Simulink simülasyon platformu
: TP368.1 Belge tanımlama kodu: ADII: 10.19358 / j.issn.1674-7720.2017.10.004
Alıntı biçimi Song Yinmao, Wang Peng, Cao Weifeng.Otomatik bozucu reddetme kontrolüne dayalı iki tekerlekli kendi kendini dengeleyen araç kontrol sisteminin simülasyon çalışması J. Mikrobilgisayar ve Uygulama, 2017,36 (10): 11-14.
0 Önsöz
İki tekerlekli kendi kendini dengeleyen araç, küçük ayak izi, esnek hareket, yeşil çevre koruma ve enerji tasarrufu özelliklerine sahiptir.Çeşitli ortamlarda kullanılabilir.Sıkışık ve dar yollarda ulaşım aracı olarak veya büyük alışveriş merkezleri veya meydanlarda devriye aracı olarak kullanılabilir. Bekle. İki tekerlekli kendi kendini dengeleyen araba sistemi, iki sol ve sağ tekerleği olan ters sarkaç benzeri bir sistem olup otomatik olarak dengeyi koruyabilir.Çok değişkenli, doğrusal olmayan ve güçlü bağlantı gibi kararsız sistemlerin özelliklerine sahiptir [1-3]. Tüm dengeleme robotları gibi, iki tekerlekli kendi kendini dengeleyen aracın temel sorunu, hareket dengesi kontrolü sorunudur. Denge kontrol hedefi, ana kontrolörün motorun sürücü kontrolü ile gerçekleştirilir ve sistem hız kontrolü bu temelde gerçekleştirilir. Bununla birlikte, sürücülerin farklı yükseklik ve ağırlıkları nedeniyle, iki tekerlekli denge arabasının sistem modellemesi doğru değildir, bu da kontrolör tarafından sistem kontrolünün zayıf stabilitesi sorununa yol açar [4]. Bu soruna yanıt olarak, farklı bilim adamları farklı yöntemler önermişlerdir [5-6]: Geleneksel LQR kontrolörü denge kontrolü sağlayabilir, ancak sistem zayıf anti-parazit yeteneğine sahiptir ve doğru matematiksel modeller gerektirir; bulanık uyarlamalı kontrolün iyi kontrol etkileri vardır , Ancak bulanık kuralların tamamen eşleşmesi zordur; klasik aktif rahatsızlık reddetme kontrolü de gereksinimleri karşılayabilir, ancak parametreler daha fazladır ve ayar daha zahmetlidir. Denetleyicinin tasarımını basitleştirmek ve farklı kullanıcıların sürüş ihtiyaçlarına uyum sağlamak için, bu belge, sistem denge kontrolü için doğrusal gözlemci durum geri bildirimini tasarlamak için aktif bozucu reddetme kontrol teknolojisini kullanır ve sistem hız döngüsünü ayarlamak için sıfır kutup optimizasyon yapılandırmasını kullanır, böylece kararlı sistem çalışması sağlanır. . Otomatik parazit reddi kontrol algoritmasını simüle etmek için MATLAB [7] kullanılarak ve test etmek için iki tekerlekli kendi kendini dengeleyen bir araç kontrol sistemi simülasyon platformu oluşturularak istenen etki elde edildi ve şemanın uygulanabilirliği ve etkinliği başarıyla doğrulandı.
1 İki tekerlekli kendi kendini dengeleyen aracın dinamik modeli
İki tekerlekli kendi kendini dengeleyen araç sistemi nispeten karmaşıktır ve doğru bir matematiksel model oluşturmak zordur. Analiz kolaylığı için, rüzgar direnci ve sürtünme gibi faktörlerin gerçek ortamdaki etkisi göz ardı edilerek (sadece zemin ile tekerlekler arasındaki yuvarlanma sürtünmesi dikkate alınarak ve kaymadan), iki tekerlekli kendi kendini dengeleyen araç Şekil 1'de gösterildiği gibi basitleştirilebilir. Fiziksel model [8], şekildeki her parametrenin fiziksel anlamı Tablo 1'de gösterilmiştir. İki tekerleğin dönme merkez noktası, koordinat sisteminin başlangıcıdır. Kabinin başlangıçtan geçen ve yola paralel ileri yönü y eksenidir. Başlangıçtan dönme ekseni boyunca ileri yönün sağ tarafı, x eksenidir. Z ekseni. İki tekerlekli kendi kendini dengeleyen araç sistemi, tekerlek ekseni etrafında ileri geri sallanma, yatay düzlemde öteleme ve dönme hareketi olmak üzere üç serbestlik derecesine sahiptir. Lagrangian dinamik modellemesine dayalı olarak, iki tekerlekli kendi kendini dengeleyen aracın dinamik modeli, dinamik ve potansiyel enerji değişiklikleri ile genelleştirilmiş kuvvet arasındaki ilişki aracılığıyla oluşturulur.
Lagrange denklemi aşağıdaki gibidir
Bunların arasında: T sistemin toplam kinetik enerjisidir, qi sistemin genelleştirilmiş koordinatıdır ve Qi sistemin genelleştirilmiş kuvvetidir. Kontrol çubuğunun dönüş açısını olarak ve sol ve sağ tekerlek açılarını genelleştirilmiş koordinatlar olarak l ve r olarak seçin. Bitirdikten sonra doğrusal olmayan sistem denklemi şu şekilde elde edilebilir:
Yukarıda oluşturulan iki tekerlekli kendi kendini dengeleyen araç modelinden, farklı kullanıcılar ve kendi kendini dengeleyen araç sistemi üzerinde farklı etkilere sahip diğer çevresel faktörler nedeniyle, sistem modeli parametrelerinin değiştiği ve kontrolörün sistemi sabit tutmak için çıkış motor torkunu gerçek zamanlı olarak ayarlaması gerektiği görülebilir [9] .
2 Doğrusal aktif bozulma reddi kontrol teknolojisi
Aktif rahatsızlık reddi kontrol teknolojisi, Çin Bilimler Akademisi'nden Profesör Han Jingqing tarafından önerilen doğrusal olmayan bir kontrol yasasıdır. Buradaki fikir, sistemin bozulmasını gözlemlemek ve tahmin etmek için genişletilmiş durum gözlemcisi kullanmak ve onu bastırmak için basit kontrol kullanmaktır [10]. Klasik aktif parazit reddetme denetleyicisinin, pratikte uygulamasını sınırlayan birçok parametre ayarlaması gerekir. Daha sonra, Gao Zhiqiang ve diğerleri bunu geliştirdiler, tüm denetleyicileri ve durum gözlemcilerini doğrusallaştırma biçiminde gerçekleştirdiler, doğrusal bir aktif bozulma reddi denetleyicisi elde ettiler ve iyi gerçek denetim efektleri elde ettiler [11]. Doğrusal aktif bozucu reddetme denetleyicisi (LADRC) üç bölümden oluşur: izleme farklılaştırıcı, doğrusal olmayan PD denetleyici ve doğrusal genişletilmiş gözlemci (LESO). İzleme farklılaştırıcısının işlevi, uygun bir geçiş süreci düzenlemek ve kontrol hedefine ve nesnenin toleransına göre bu işlemin diferansiyel sinyalini vermektir. Doğrusal olmayan PD kontrolörü, kontrol sinyalini oluşturmak için diferansiyel izleyici çıkışı ile durum gözlemci çıkışının kombinasyonunu kullanır. Doğrusal genişletilmiş durum gözlemcisi (LESO), esas olarak sistemin modellenmemiş kısmının neden olduğu sistem değişikliklerini ve diğer faktörleri telafi etmek için doğrusal aktif bozulma reddetme kontrolünün temel parçasıdır. Oluşturulan iki tekerlekli kendi kendini dengeleyen araç modelinden, kontrol nesnesinin ikinci dereceden bir kontrol nesnesine dönüştürülebildiği ve Şekil 2'de gösterildiği gibi kontrolü gerçekleştirmek için ikinci dereceden bir otomatik bozucu reddetme kontrolörünün kullanıldığı görülebilmektedir.
Önce doğrusal genişleme gözlemcisini (LESO) kurun
Bunların arasında L, devlet gözlemcisinin kazancıdır. Varsaymak
L = 123 T, hata ei = xi-zi, i = 1,2,3, hata denklemi
Genişletilmiş durum gözlemcisinin karakteristik denklemi:
(s) = s3 + 1s2 + 2s + 3 (6)
Kutup yapılandırma yöntemi ile ideal karakteristik denklem (s) = (s + w0) 3 ve 1 = 3w0, 2 = 3w20, 3 = 3w30 ve w0 gözlemci bant genişliğidir. Yaklaşım hatasını sıfıra yaklaştırmak için uygun durum gözlem kazançları 1, 2, 3'ü seçin, LESO sistemdeki çeşitli değişkenlerin gerçek zamanlı takibini gerçekleştirebilir. Durum gözlemcisinden sonra sistem durum uzayının ifadesi şöyledir:
kp = w2c, kd = 2wc, wc denetleyicinin bant genişliği frekansı ve sönümleme oranıdır. Kontrol yasasının bileşimi, bozulmaları ortadan kaldırabilen orijinal integralin -z3 / b0 ile değiştirilmesi dışında PID'ye benzer. Ek olarak, wc ve w0 arasındaki ilişki w0 = 3 10wc'yi karşılar, böylece ayarlanması gereken sistem parametreleri yalnızca üç parametredir kp, kd ve b0, bu da aktif bozucu reddetme kontrolünün parametrelerini büyük ölçüde azaltır ve pratik uygulamalar için bir temel oluşturur.
3 İki tekerlekli kendi kendini dengeleyen araç sistemi simülasyon kurulumu
İlk olarak formül (2), açısı ve açısal hızdan oluşan genelleştirilmiş ikinci dereceden bir sistem olarak oluşturulmuştur.
Bunların arasında, y çıktıdır, f (x1, x2, w (t)) sistem kesinliği, belirsiz dinamikler ve harici bozulma dahil olmak üzere sistemin kontrollü nesnesidir w (t), u sistem girdisidir, b
Verilen kazanç sabiti. Denklem (9) ile tanımlanan sistem için, araç gövdesi yalpa çemberi kontrolörü, sistem arızası olarak araç hızı ile tasarlanmıştır.
Sistem modeli denklemine m = 80 kg, R = 0.2 m, mr = ml = 3 kg, f = 0.3 m ve L = 0.8 m parametrelerini değiştirin. Hız döngüsü kontrolörü, kutup yapılandırma yöntemi ile tasarlanmıştır ve geri besleme parametresini k = [- 2.5922, -2.0907] olarak elde etmek için kutup p = [- 2, -2] olarak seçilir. Son olarak, kontrol çekirdeği oluşturuldukça aktif bir bozucu reddetme denetleyicisine sahip iki tekerlekli, kendinden dengeli bir araç kontrol sistemi ve farklı kullanıcılar için bozulma önleme, döndürme ve başlatma-durdurma testleri yapılır ve klasik ADRC'nin etkisi karşılaştırılır.
4 Simülasyon sonuçları ve analizi
Sistem modeli oluşturulmuş ve kapsüllenmiştir, Simulink araç kutusu, kontrol çekirdeği olarak aktif parazit reddi ile iki tekerlekli kendi kendini dengeleyen bir araç simülasyon platformu oluşturmak için kullanılır ve kontrol sistemi parametrelerini aktarmak için M dosyaları yazılır. Simülasyon durumu şu şekildedir: x = [0,0,0,0] T başlangıç durumu altında, 0,1 rad açılı bir ileri eğim sinyali verilir ve 4 saniye ve 7 saniyede çalışırken adım paraziti eklenir Kendi kendini dengeleyen arabaya bir dönüş komutu verin. Simülasyon farklı kullanıcılar için gerçekleştirilmiş ve test sonuçları Şekil 3'te gösterilmiştir.
Bunlar arasında, düz çizgi m = 90 ve L = 0.7 m olduğunda sistem yanıt eğrisidir, noktalı çizgi m = 90 ve L = 1 m olduğunda sistem yanıt eğrisidir ve kesik çizgi m = 80 ve L = 1 m olduğunda sistem yanıtını temsil eder. eğri. Şekil 3'teki simülasyon eğrisinden, eğim sinyali verildiğinde sistemin 0,2 sn içinde beklenen denge durumuna ulaştığı; adım girişim oluştuğunda sistemin de hızlı bir şekilde yanıt verdiği ve 0,8 sn içinde yeniden başlatıldığı görülebilir. Dengeye ulaşın. Araç hızı 4 saniyeye yaklaştığında ideal hıza ulaşır ve aracın yumuşak bir şekilde çalışmaya başladığını fark eder; adım paraziti oluştuğunda araç hızı 0,8 saniye içinde tekrar sabit bir duruma ulaşır. 7 saniyede sola dönüş sinyali verildiğinde, sağ tekerleğin hızı sol tekerleğin hızından daha hızlıdır ve araç gövdesi sola döner ve aynı şekilde sağa döner.
Klasik ADRC ile karşılaştırıldığında, sıfır zamanda 0,7 rad ileri eğim sinyali verilir ve simülasyon, ağırlık merkezi mesafesi 0,7 m ve kullanıcı kütlesi 90 kg olduğunda gerçekleştirilir.Simülasyon sonuçları Şekil 4'te gösterilmiştir. Sistemin tepki süresinin hemen hemen aynı olduğu görülebilmektedir Klasik ADRC altındaki tepki eğrisi, denge konumunda her zaman küçük bir genlikte dalgalanmaktadır ve araç hızı üzerindeki kontrol etkisi zayıfken, doğrusal ADRC altında sistem kararlılığı daha iyidir. , Yanıt eğrisi daha pürüzsüz.
5 özet
Test sonuçları, çekirdek ve kutup konfigürasyonu olarak LADRC ile bu makalede önerilen çözümün, iki tekerlekli denge aracı sisteminin daha hızlı tepki hızı ve güçlü sağlamlıkla farklı kullanıcılara uyarlanmasını sağladığını ve kontrolün kararlı ve aşmanın küçük olduğunu göstermektedir. Beklenen sonuçları elde etti. Bu makaledeki araştırma, daha sonraki donanım platformunun gerçekleştirilmesi için teorik bir temel oluşturmaktadır ve belirli bir önemi vardır.
Referanslar
[1] Xu Jianxin, Guo Zhaoqin, LEE T H. İki tekerlekli bir mobil robot üzerinde takagi-sugeno-tipi bulanık mantık denetleyicisinin tasarımı ve uygulaması J .IEEE Endüstriyel Elektronik İşlemleri, 2013,60 (12): 5717-5728.
[2] Ruan Xiaogang, Cai Jianxian, Li Xinyuan, ve diğerleri İki tekerlekli kendi kendini dengeleyen robotun araştırma ve tasarımı M Pekin: Science Press, 2006.
3 Wei Wen, Duan Chendong, Gao Jinglong, ve diğerleri.Veri füzyonuna dayalı iki tekerlekli kendi kendini dengeleyen araba kontrol sisteminin tasarımı J. Elektronik Teknoloji Uygulaması, 2013,39 (5): 79-80.
4 Liang Wenyu, Zhou Huixing, Cao Rongmin ve diğerleri.İki tekerlekli insanlı kendi kendini dengeleyen kontrol sisteminin araştırma incelemesi J. Kontrol Mühendisliği, 2010,17 (S2): 133-144.
[5] MADERO V, ARACIL J, GORDILLO F. İki tekerlekli kendinden dengeli araçlar için doğrusal olmayan kontrol kanunu C .Melecon IEEE Akdeniz Elektroteknik Konferansı, 2010: 1557-1562.
6 MADDAHI A, SHAMEKHI A H, GHAFFARI A. İki tekerlekli aracı kendi kendine dengelemek için bir lyapunov kontrol cihazı J. Robotica, 2014,33 (1): 1-15.
[7] Fang Lu, Wu Zhigang, Chen Angang.MATLAB J 'ye dayalı CSTR süreç simülasyon kontrolü üzerine araştırma. Mikrobilgisayar ve Uygulama, 2016,35 (10): 5-7.
[8] Tu Yunwu, Xu Junyan, Zhang Peiren, vb. Kendi kendini dengeleyen kontrol sisteminin modellemesi ve simülasyonu J. Journal of System Simulation, 2004, 4 (16): 839-841.
9 Hu Jian, Yan Gangfeng.Otomatik bozucu reddetme kontrol algoritmasına dayalı iki tekerlekli kendi kendini dengeleyen aracın analizi J. Makine ve Elektrik Mühendisliği, 2014, 31 (2): 160-163.
10 Han Jingqing Aktif rahatsızlık reddi kontrolörü ve uygulaması J Kontrol ve Karar, 1998, 13 (1): 19-23.
11 Zheng Qing, Gao Linda, Gao Zhiqiang Analiz ve deney yoluyla genişletilmiş durum gözlemcisinin doğrulanması üzerine J Dinamik Sistem Ölçüm ve Kontrol Dergisi, 2012, 134 (2): 224-240.
