[发明专利]一种两轮自平衡电动车系统控制器的设计方法

摘要

本发明公开了一种两轮自平衡电动车系统控制器的设计方法。由于两轮自平衡电动车是一种多变量、强耦合、非线性、自然不稳定系统，控制器的设计需要依据准确的数学模型，所以首先要建立两轮自平衡电动车系统的数学模型；其次，由于目前没有一个可以通过计算直接得到最优Q阵和R阵的方法，所以本发明先用试凑法仿真设计了两轮自平衡电动车系统控制器的雏形；最后运用量子遗传算法优化控制器参数，最终设计出线性二次最优控制器。通过该方法，可以在短时间内设计出符合系统要求的控制器，并能有效地控制两轮车完成各种行驶动作。

主权项

一种两轮自平衡电动车系统控制器的设计方法，其特征在于，包括以下步骤：1)建立两轮自平衡电动车系统的数学模型；所述的建立两轮自平衡电动车系统的数学模型，使用的方法是用拉格朗日方程建模：所述的用拉格朗日方程建模，包括以下步骤：(1.1)确定模型的各个物理量，包括：车轮的移动动能T1、转动动能T2、车体的移动动能T3、转动动能T4、车体内的直流减速电动机的转动动能T5，系统总势能V，并得出拉格朗日函数表达式：L＝T‑V＝T1+T2+T3+T4+T5‑V；其中L为拉格朗日量，T是系统总动能，T＝T1+T2+T3+T4+T5；(1.2)代入拉格朗日方程得出相应的方程组；其中，是拉格朗日量，q＝(q1,q2,…,qN)是广义坐标的广义变量、F是广义外力、Fθ是车辆前进的主动力、Fφ是车体绕转轴转动的主动力、是车轮的转动主动力；(1.3)对系统进行线性化，化简方程组；(1.4)选取车体倾斜角度φ、车体倾斜角速度车轮转过角度θ、车轮转动角速度整车转动角度和整车转角角速度作为系统的状态变量,便可得出车辆的运动状态方程组；Ul、Ur为驱动两个车轮的两个直流电动机的电枢电压，A、B、C、D为状态方程的系数矩阵；(1.5)判断系统模型的能控和能观性2)用试凑法仿真建立两轮自平衡电动车系统的线性二次最优控制器雏形；3)运用量子遗传算法优化控制器参数；4)将优化后的控制器参数代入系统，得到更加完善的线性二次最优控制器。