双倒立摆最优控制策略探究与对比分析

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"这篇报告由Alexander Bogdanov于2004年12月发表,研究了双倒立摆(DIPC)在小车上的最优控制算法。通过使用欧拉-拉格朗日方程来建立动力学模型,探讨了线性二次调节器(LQR)、状态依赖的里卡蒂方程(SDRE)和最优神经网络(NN)控制等方法,并分析了它们在解决非完全受控问题中的性能。" 本文主要关注的是对一个双倒立摆系统(DIPC)的最优控制策略。双倒立摆是一个具有两个自由度的复杂动态系统,通常安装在一辆小车上,其运动由动能和势能的差值——即拉格朗日函数——推导出的非线性二阶微分方程系统来描述。为了便于控制设计,这个系统被转换为六个一阶常微分方程(ODE)的形式。 控制双倒立摆是一个挑战,因为与机器人不同,它是一个欠驱动系统,只有一个小车上的一个控制力,但需要处理三个自由度的运动。因此,报告中提出的问题是寻找最小化二次成本函数的最优控制策略。作者测试了以下几种方法: 1. **线性二次调节器(LQR)**:这是一种经典的最优控制方法,基于系统的线性化模型,通过解一组代数 Riccati 方程来计算控制器增益。 2. **状态依赖的里卡蒂方程(SDRE)**:这种方法考虑了系统的非线性特性,通过解一个与系统状态相关的里卡蒂方程来实现更精确的控制。 3. **最优神经网络(NN)控制**:利用神经网络的非线性映射能力来补偿模型的不足,尤其是对于复杂或难以建模的系统行为。 4. **NN与LQR和SDRE的组合**:试图结合神经网络的适应性和其他方法的稳定性优势,以提高控制性能。 仿真结果表明,SDRE在性能上优于LQR,而神经网络可以补偿LQR中模型不准确带来的影响。然而,由于神经网络在广义参数范围内的函数逼近能力有限,它无法显著提升SDRE的表现,只在较大的摆角偏离时提供边际效益。 这篇报告为双倒立摆的最优控制提供了深入的理论和实践见解,对理解欠驱动系统控制以及比较不同控制策略的优劣具有重要意义。通过这些方法,可以优化系统的稳定性和效率,对于实际的物理系统控制,如机器人平衡、运动控制等领域有着广泛的应用价值。