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Mathematical modeling of elastic inverted pendulum control system 被引量:3
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作者 ChaoXU XinYU 《控制理论与应用(英文版)》 EI 2004年第3期281-282,共2页
Inverted pendulums are important objects of theoretical investigation and experiment in the area of control theory and engineering. The researches concentrate on the rigid finite dimensional models which are described... Inverted pendulums are important objects of theoretical investigation and experiment in the area of control theory and engineering. The researches concentrate on the rigid finite dimensional models which are described by ordinary differential equations (ODEs) .Complete rigidity is the approximation of practical models ; Elasticity should be introduced into mathematical models in the analysis of system dynamics and integration of highly precise controller. A new kind of inverted pendulum, elastic inverted pendulum was proposed, and elasticity was considered. Mathematical model was derived from Hamiltonian principle and variational methods, which were formulated by the coupling of partial differential equations (PDE) and ODE. Because of infinite dimensional, system analysis and control of elastic inverted pendulum is more sophisticated than the rigid one. 展开更多
关键词 Elastic inverted pendulum Hamiltonian principle Variational methods Mathematical model Coupling equation array
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Modeling Walking with an Inverted Pendulum Not Constrained to the Sagittal Plane. Numerical Simulations and Asymptotic Expansions
2
作者 Guillermo H. Goldsztein 《Applied Mathematics》 2017年第1期57-76,共20页
Inverted pendulum models are commonly used to study the bio-mechanics of biped walkers. In its simplest form, the inverted pendulum consists of a point mass attached to two straight mass-less legs. Most works constrai... Inverted pendulum models are commonly used to study the bio-mechanics of biped walkers. In its simplest form, the inverted pendulum consists of a point mass attached to two straight mass-less legs. Most works constrain the motion of the mass to the sagittal plane, i.e. the plane perpendicular to the ground that contains the direction toward the biped is walking. In this article, we remove this constrain to study the oscillations, the mass experiences in the direction perpendicular to the sagittal plane as the biped walks. While small, these lateral oscillations are unavoidable and of importance in the understanding of balance and stability of walkers, as well as walkers induced oscillations in pedestrian bridges. 展开更多
关键词 Mathematical modelING inverted pendulum Mechanics of WALKING SAGITTAL Plane OSCILLATIONS
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基于约束跟随理论的动量轮倒立摆控制研究
3
作者 管震涛 刘康 +2 位作者 张远辉 卜洋 付铎 《现代电子技术》 北大核心 2026年第1期108-116,共9页
在处理欠驱动系统的控制问题时,传统控制方法常常面临跟踪精度低、能效差和控制律复杂等挑战。针对动量轮倒立摆这一典型的欠驱动非线性系统,文中提出一种新颖的基于约束跟随理论的控制策略。与传统方法相比,该策略无需线性化处理,能够... 在处理欠驱动系统的控制问题时,传统控制方法常常面临跟踪精度低、能效差和控制律复杂等挑战。针对动量轮倒立摆这一典型的欠驱动非线性系统,文中提出一种新颖的基于约束跟随理论的控制策略。与传统方法相比,该策略无需线性化处理,能够充分利用系统的非线性特性,从而提升控制性能。首先建立了动量轮倒立摆的机械结构模型,并基于拉格朗日方程构建其动力学模型。通过将倒立摆的期望平衡角度设定为伺服约束,基于约束跟随理论推导出满足约束的力矩解析表达式,避免引入拉格朗日乘子等辅助变量。在Matlab/Simulink/Simscape环境中进行的仿真实验验证,以及基于ESP32控制核心的实验平台搭建,均证实了所提控制方法的有效性和优越性。与传统的线性二次调节器(LQR)控制方法相比,所提方法在控制效果上表现出显著优势。 展开更多
关键词 动量轮倒立摆 欠驱动系统 非线性系统 拉格朗日方程 动力学模型 约束跟随
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倒立摆半物理仿真虚拟实验系统设计与开发 被引量:1
4
作者 常广晖 苏攀 +1 位作者 张亚超 刘树勇 《实验科学与技术》 2025年第2期108-113,132,共7页
针对控制原理控制器设计内容抽象,学生缺乏对实际控制案例的直观认识,同时传统实验教学资源由于受场地、时间、经济成本等条件的限制,难以满足教学需求的问题,提出一种基于半物理仿真的一阶倒立摆虚拟实验系统设计方案,详细介绍了该虚... 针对控制原理控制器设计内容抽象,学生缺乏对实际控制案例的直观认识,同时传统实验教学资源由于受场地、时间、经济成本等条件的限制,难以满足教学需求的问题,提出一种基于半物理仿真的一阶倒立摆虚拟实验系统设计方案,详细介绍了该虚拟实验系统实现的关键技术,包括一阶倒立摆物理模型建立、自定义目标软硬件实现、虚拟倒立摆与嵌入式目标之间的通信方法等。通过该虚拟实验系统,可以进行开放性自动控制类、嵌入式系统类实验教学,达到寓教于乐,消除控制原理学习的枯燥感,激发学生学习热情的目的。 展开更多
关键词 倒立摆 半物理仿真 基于模型设计 虚拟实验
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基于遗传算法的QUBE-Servo2倒立摆系统PD参数整定
5
作者 孙慧慧 栾卉 +2 位作者 王沁怡 宋元春 尹佳欣 《吉林大学学报(信息科学版)》 2025年第1期58-64,共7页
针对传统试凑法选取的倒立摆PD(Proportion Differentiation)控制器参数具有主观性强,系统响应能力不佳等问题,采用遗传算法整定控制器参数,进行模型仿真分析并最终运行于QUBE-Servo2旋转倒立摆实验系统。实验表明,相比于试凑法,用遗传... 针对传统试凑法选取的倒立摆PD(Proportion Differentiation)控制器参数具有主观性强,系统响应能力不佳等问题,采用遗传算法整定控制器参数,进行模型仿真分析并最终运行于QUBE-Servo2旋转倒立摆实验系统。实验表明,相比于试凑法,用遗传算法得到的PD控制器参数能使系统的响应性能进一步优化,且不受主观经验限制,摆杆和摆臂的稳态误差都在±0.01 rad以内。 展开更多
关键词 旋转倒立摆 数学模型 PD控制 遗传算法
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基于反馈线性化技术的旋转倒立摆复合控制方法 被引量:1
6
作者 樊新航 徐建军 +3 位作者 邰穗安 王怿瑾 刘俊生 董春 《机电工程》 北大核心 2025年第9期1791-1809,共19页
旋转倒立摆系统是一种强耦合、欠驱动且具有强非线性特征的非最小相位系统,针对一阶旋转倒立摆系统存在的控制复杂性和不稳定性问题,提出了一种基于反馈线性化技术的旋转倒立摆复合控制方法。首先,对于一阶旋转倒立摆这一典型非线性欠... 旋转倒立摆系统是一种强耦合、欠驱动且具有强非线性特征的非最小相位系统,针对一阶旋转倒立摆系统存在的控制复杂性和不稳定性问题,提出了一种基于反馈线性化技术的旋转倒立摆复合控制方法。首先,对于一阶旋转倒立摆这一典型非线性欠驱动非最小相位系统,采用拉格朗日-欧拉法建立了其动力学方程及数学模型,并基于反馈线性化技术,实施了优化线性化处理;然后,采用反步法和参数估计法设计了无模型反步控制器,并引入了非线性阻尼和动态面控制方法,解决了高阶系统的微分爆炸和扰动敏感问题;最后,在不同负载和运动条件下,将该控制器与传统的比例积分微分(PID)控制器、线性二次型(LQR)控制器进行了对比仿真,并使用STM32单片机作为主控制器,搭建了实物实验平台并进行了验证。研究结果表明:该控制器在30°初始偏角下的稳摆控制达到稳定的时间为0.3 s,最大稳定偏角范围扩展至76.6°。该控制方法通过多模块协同作用,增强了对非线性系统的灵敏控制能力,较传统算法具有更强的鲁棒性和动态响应特性。 展开更多
关键词 反馈线性化 旋转倒立摆 动力学分析 反步法 无模型控制 稳摆控制 动态响应特性
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步行荷载人体动力参数智能识别算法
7
作者 曹亮 周海蕾 卢发明 《工程力学》 北大核心 2025年第11期115-125,216,共12页
伴随着现代建筑结构“更轻和跨度更大”的发展趋势,结构设计呈现出从承载力极限状态控制向正常使用极限状态控制发生转变的趋势,可预见人致结构振动舒适度问题会愈发普遍。准确地预测人致结构振动响应(加速度响应)和结构振动特性(频率... 伴随着现代建筑结构“更轻和跨度更大”的发展趋势,结构设计呈现出从承载力极限状态控制向正常使用极限状态控制发生转变的趋势,可预见人致结构振动舒适度问题会愈发普遍。准确地预测人致结构振动响应(加速度响应)和结构振动特性(频率和阻尼)是评估结构振动舒适度的必要前提。人致结构振动响应的准确性与人致荷载模型息息相关。目前各设计规范提出的人致荷载多基于确定性,忽略了人体的差异性,即忽略了人致荷载的随机性。为便于人致结构振动舒适度分析时能考虑人致荷载的随机性及提高结构振动响应的计算精度,基于步行试验、理论研究(采用倒立摆模型模拟步行全过程及摄动法建立步行荷载理论模型)和各种智能算法(遗传算法、灰狼算法、蝙蝠算法、布谷鸟搜索算法、生物地理学算法、蚁狮算法),开发步行荷载人体动力参数(刚度k_(leg),长度l_(0),滚轴半径R,质量m和初始速度v_(0))智能识别算法。通过对25位测试者的步行荷载人体动力参数进行识别并与步行荷载试验数据对比分析表明,智能识别算法具有识别精度高、计算效率快等特点。 展开更多
关键词 步行荷载 人体动力参数 智能识别算法 振动舒适度 倒立摆模型
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基于降维观测器的一阶倒立摆状态反馈控制系统研究与仿真
8
作者 李思明 董文琦 曹玉波 《吉林化工学院学报》 2025年第3期57-62,共6页
倒立摆系统是一个典型的不稳定的非线性系统。利用牛顿力学法对一阶倒立摆建立数学模型,并使用MATLAB中simulink函数进行系统仿真。在状态反馈控制的基础上,为降低基于全维观测器状态反馈控制的调节时间,提出一种基于降维观测器的状态... 倒立摆系统是一个典型的不稳定的非线性系统。利用牛顿力学法对一阶倒立摆建立数学模型,并使用MATLAB中simulink函数进行系统仿真。在状态反馈控制的基础上,为降低基于全维观测器状态反馈控制的调节时间,提出一种基于降维观测器的状态反馈控制,将高维数据转化为低维数据,简化系统结构,相比全维观测器具有更好的效率和调节速度。 展开更多
关键词 一阶倒立摆 力学建模 降维观测器 SIMULINK仿真
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COM trajectory planning and disturbance-resistant control of a bipedal robot based on CP-ZMP-COM dynamics
9
作者 Chunbiao GAN Zijing LI +1 位作者 Yimin GE Mengyue LU 《Journal of Zhejiang University-Science A(Applied Physics & Engineering)》 2025年第5期492-498,共7页
1Introduction To date,in model-based gait-planning methods,the dynamics of the center of mass(COM)of bipedal robots have been analyzed by establishing their linear inverted pendulum model(LIPM)or extended forms(Owaki ... 1Introduction To date,in model-based gait-planning methods,the dynamics of the center of mass(COM)of bipedal robots have been analyzed by establishing their linear inverted pendulum model(LIPM)or extended forms(Owaki et al.,2010;Englsberger et al.,2015;Xie et al.,2020).With regard to model-based gait-generation methods for uphill and downhill terrain,Kuo(2007)simulated human gait using an inverted pendulum,which provided a circular trajectory for the COM rather than a horizontal trajectory.He found that a horizontal COM trajectory consumed more muscle energy.Massah et al.(2012)utilized a 3D LIPM and the concept of zero moment point(ZMP).They developed a trajectory planner using the semi-elliptical motion equations of an NAO humanoid robot and simulated walking on various sloped terrains using the Webots platform. 展开更多
关键词 com trajectory planning inverted pendulumwhich disturbance resistant control linear inverted pendulum model lipm extended forms owaki bipedal robots human gait dynamics center
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倒立摆系统的动力学建模与控制策略研究
10
作者 袁赛文 《机械管理开发》 2025年第3期29-32,共4页
通过对倒立摆系统的动力学建模与控制策略研究调查,介绍了倒立摆系统的背景和重要性,阐述了倒立摆动力学建模的方法,讨论了各种控制策略及其在倒立摆中的应用,进一步对当前的研究趋势和未来发展方向进行了总结,以期该研究为相关行业的... 通过对倒立摆系统的动力学建模与控制策略研究调查,介绍了倒立摆系统的背景和重要性,阐述了倒立摆动力学建模的方法,讨论了各种控制策略及其在倒立摆中的应用,进一步对当前的研究趋势和未来发展方向进行了总结,以期该研究为相关行业的发展提供技术参考。 展开更多
关键词 倒立摆系统 倒立摆分类 动力学建模 倒立摆控制策略
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基于倒立摆模型的控制系统算法设计
11
作者 朱纯超 王学孔 +1 位作者 赵焕 莫永 《电子产品可靠性与环境试验》 2025年第2期102-109,共8页
倒立摆系统凭借其独特的动态特性与高度非线性特征,已成为验证先进控制算法的理想实验平台。其不仅能够精准评估各类创新算法的实际效能,更能将研究成果有效迁移至机器人技术、航空航天等前沿科技领域,因而在全球学术界与工程界备受瞩... 倒立摆系统凭借其独特的动态特性与高度非线性特征,已成为验证先进控制算法的理想实验平台。其不仅能够精准评估各类创新算法的实际效能,更能将研究成果有效迁移至机器人技术、航空航天等前沿科技领域,因而在全球学术界与工程界备受瞩目。基于此背景,首先依据倒立摆系统的动力学原理,构建了二级倒立摆数学模型,并深入剖析模糊控制算法在该系统应用中存在的控制精度不足、动态响应迟缓等问题;然后,依托所搭建的模型平台,设计并优化了一套基于模糊控制器的倒立摆控制系统;最后,借助LabVIEW仿真环境对系统性能展开全面测试与分析,结果表明该控制器在面对参数摄动与外部干扰时,具备出色的鲁棒性,能够有效保障倒立摆系统的稳定运行,为复杂动态系统的控制策略优化提供了新的技术路径与实践参考。 展开更多
关键词 倒立摆模型 模糊控制算法 鲁棒性 LABVIEW仿真
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云模型在倒立摆控制中的应用 被引量:38
12
作者 陈晖 李德毅 +1 位作者 沈程智 张飞舟 《计算机研究与发展》 EI CSCD 北大核心 1999年第10期1180-1187,共8页
文中提出一种利用云模型有效地实现单电机控制的三级倒立摆动态平衡的方法.通过研究倒立摆系统的定性控制机理,给出了定性和定量之间转换的云模型的形式化表示,用来反映语言值中蕴涵的模糊性和随机性,解释多条定性规则同时被激活的... 文中提出一种利用云模型有效地实现单电机控制的三级倒立摆动态平衡的方法.通过研究倒立摆系统的定性控制机理,给出了定性和定量之间转换的云模型的形式化表示,用来反映语言值中蕴涵的模糊性和随机性,解释多条定性规则同时被激活的不确定性推理过程.研究成果不仅可用于对太空飞行器以及机器人控制。 展开更多
关键词 倒立摆 云模型 定性推理 航空航天器 动态平衡
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基于模糊动态模型的二级倒立摆系统的分析和设计 被引量:11
13
作者 姚宏伟 梅晓榕 +1 位作者 杨振强 庄显义 《控制理论与应用》 EI CAS CSCD 北大核心 2001年第2期224-227,233,共5页
首先给出了一种离散系统模糊动态模型的辨识方法 ,提出了一个衡量聚类有效性的函数 ,以确定模糊规则的数目 .并给出一个保证模糊系统全局稳定的充分条件 ,在此基础上给出了模糊控制系统的设计方法 ,并对二级倒立摆系统进行了控制 。
关键词 模糊动态模型 模糊聚类 二级倒立摆系统 模糊控制系统
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二级倒立摆系统数学模型的建立及意义 被引量:18
14
作者 史晓霞 张振东 +1 位作者 李俊芳 杨屹 《河北工业大学学报》 CAS 2001年第5期48-51,共4页
从刚体运动学角度分析了二级倒立摆系统的运动,并利用有关动力学基础和拉格朗日方程,运用状态空间法对二级倒立摆系统进行数学模型的建立.二级倒立摆系统数学模型的建立对倒立摆和其它类似非线性系统稳定性的研究具有理论指导作用.
关键词 二级倒立摆 建模 刚体运动学 拉格朗日方程 状态空间法 数学模型 稳定控制 连续非线性系统
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不平整地面上双足机器人的步态控制 被引量:5
15
作者 李建 陈卫东 +2 位作者 王丽军 杨军 李慕君 《东南大学学报(自然科学版)》 EI CAS CSCD 北大核心 2009年第S1期129-133,共5页
提出了一种不平地面环境下双足机器人的步行控制算法.该算法由步态规划和传感器反馈控制系统组成.在步态规划中,采用被动倒立摆模型设计双足机器人的质心位置,所生成的步态使机器人能够在平地上更自然有效地稳定行走.在线反馈控制系统... 提出了一种不平地面环境下双足机器人的步行控制算法.该算法由步态规划和传感器反馈控制系统组成.在步态规划中,采用被动倒立摆模型设计双足机器人的质心位置,所生成的步态使机器人能够在平地上更自然有效地稳定行走.在线反馈控制系统用于处理地面环境的凹凸不平以及来自外界的未知扰动,可分为上身姿态控制、期望ZMP控制以及非线性落地控制3个部分.这3种控制分别针对不同的控制目标,并根据步行过程的具体阶段在线修正预先规划好的步态,维持双足机器人的步行稳定性.它们在结构上相互耦合,从而实现加速在线反馈控制系统的收敛速度、克服机器人柔性对控制作用的负面影响等效果.双足机器人在凹凸地面的步行实验验证了所提出步行控制算法的有效性. 展开更多
关键词 双足机器人 步态规划 步态控制 被动倒立摆模型
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倒立摆的模型和控制问题 被引量:5
16
作者 王广雄 张静 +1 位作者 罗晶 许万平 《电机与控制学报》 EI CSCD 北大核心 2004年第3期247-249,262,共4页
小车-倒摆系统常用四阶的运动方程来描述。但如果小车是交流伺服电机来驱动的,交流伺服电机需要和它的控制系统构成一个闭环系统才能工作,使小车的运动受到约束,系统的动态方程退化成为二阶。文中对该系统的特性作了详尽的分析,并指出... 小车-倒摆系统常用四阶的运动方程来描述。但如果小车是交流伺服电机来驱动的,交流伺服电机需要和它的控制系统构成一个闭环系统才能工作,使小车的运动受到约束,系统的动态方程退化成为二阶。文中对该系统的特性作了详尽的分析,并指出这样的实验装置适合于研究二阶不稳定对象的镇定问题。 展开更多
关键词 倒立摆 实验装置 交流伺服电机 数学模型
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基于线性二次型最优控制策略的倒立摆实验系统搭建 被引量:9
17
作者 李劲松 颜国正 +1 位作者 冯剑舟 宋立博 《实验室研究与探索》 CAS 北大核心 2010年第3期38-40,60,共4页
以自动控制领域典型的实验、教研设备——倒立摆系统作为研究对象,在建立了倒立摆系统数学模型的基础上,采用线性二次型最优策略进行控制,并利用MFC实现了人机交互,自主搭建了一套直线型一级倒立摆实验系统。系统的成功起摆与保持倒立... 以自动控制领域典型的实验、教研设备——倒立摆系统作为研究对象,在建立了倒立摆系统数学模型的基础上,采用线性二次型最优策略进行控制,并利用MFC实现了人机交互,自主搭建了一套直线型一级倒立摆实验系统。系统的成功起摆与保持倒立控制的实现,验证了建模的正确性与控制方式的有效性。 展开更多
关键词 倒立摆实验系统 建模 线性二次型最优控制 系统搭建
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直线柔性连接两级倒立摆控制器设计 被引量:8
18
作者 吴昊 秦志强 +2 位作者 朱学峰 向少华 史步海 《控制工程》 CSCD 2003年第6期497-499,共3页
倒立摆系统是一个复杂的、非线性的、不稳定的高阶系统。倒立摆的控制一直是控制理论及应用的典型课题。分析了如何利用拉格朗日方程对直线柔性连接两级倒立摆系统建模,采用LQR法设计最优控制器,进行了具体架构以及阐述了此系统设计的... 倒立摆系统是一个复杂的、非线性的、不稳定的高阶系统。倒立摆的控制一直是控制理论及应用的典型课题。分析了如何利用拉格朗日方程对直线柔性连接两级倒立摆系统建模,采用LQR法设计最优控制器,进行了具体架构以及阐述了此系统设计的控制器在实际物理系统中的实现问题。所设计的控制器对此倒立摆系统成功实施了控制,既证明了系统建模的正确性,也是倒立摆控制中的一项重大突破。相关研究成果将在航天科技及机器人学等领域发挥重要作用。 展开更多
关键词 控制理论 直线柔性连接两级倒立摆 控制器 设计 系统建模
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基于四足机器人稳定性的对角步态规划 被引量:8
19
作者 李宏凯 李志 +2 位作者 郭朝龙 戴振东 李伟波 《机械设计》 CSCD 北大核心 2016年第1期64-69,共6页
四足机器人步态规划的合理性直接影响机器人的稳定性。文中结合虚拟腿、线性倒立摆和零力矩点原理,以占空比为0.5的对角步态为基础,在运动相过渡阶段加入10%周期的四足支撑过程。在支撑相时,用平滑的零力矩点轨迹推导出机器人质心轨迹,... 四足机器人步态规划的合理性直接影响机器人的稳定性。文中结合虚拟腿、线性倒立摆和零力矩点原理,以占空比为0.5的对角步态为基础,在运动相过渡阶段加入10%周期的四足支撑过程。在支撑相时,用平滑的零力矩点轨迹推导出机器人质心轨迹,从而得到支撑相的足端轨迹;在摆动相时,结合椭圆与三次多项式规划了足端摆动相的轨迹,保证位置和速度的连续平滑性。通过动力学分析软件仿真分析,验证了新步态的合理性。 展开更多
关键词 四足机器人 虚拟腿 线性倒立摆(LIPM) 零力矩点(ZMP)
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基于状态空间极点配置的倒立摆平衡控制 被引量:13
20
作者 崔平 翁正新 《实验室研究与探索》 CAS 2003年第2期70-72,共3页
对GIP-100-L单轴倒立摆实验系统的平衡控制问题进行了研究。建立了系统的数学模型,运用状态空间全状态反馈极点配置方法设计控制器,在MATLAB上进行仿真,在实际系统上进行了调试,实现摆杆的平衡控制。仿真及实验结果表明本文的设计方法... 对GIP-100-L单轴倒立摆实验系统的平衡控制问题进行了研究。建立了系统的数学模型,运用状态空间全状态反馈极点配置方法设计控制器,在MATLAB上进行仿真,在实际系统上进行了调试,实现摆杆的平衡控制。仿真及实验结果表明本文的设计方法是有效的。 展开更多
关键词 倒立摆实验 平衡控制 数学模型 状态空间 极点配置
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