基于卡尔曼滤波的倒立摆控制系统噪声抑制

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1、第25卷第8期控制与决策2010年8月Vol.25No.8ControlandDecisionAug.2010文章编号:1001-0920(2010)08-1144-05基于卡尔曼滤波的倒立摆控制系统噪声抑制祁虔1,2,李祖枢1,谭智1,但远宏1,肖琳1(1.重庆大学自动化学院，重庆400030；2.西南大学计算机与信息科学学院，重庆400715)摘要:在二级倒立摆稳摆控制中,摆杆的角度信号受到测量噪音污染,通过差分获取角速度时,该噪音被放大,导致稳摆控制器的输出产生较大的随机波动,同时电机作为执行器,也混入了较大的过程噪音.这两种噪音使系统出现较强抖动,既不利于摆杆稳定,也缩短了电机寿

2、命.对此,将稳态卡尔曼滤波器与渐消记忆法结合起来,找到了确定稳态卡尔曼滤波器增益矩阵的有效方法,既克服了模型误差,又满足实时性要求,减小了电机抖动,取得了较好的效果.关键词:倒立摆；噪音；稳态卡尔曼滤波；渐消记忆法中图分类号:TP273文献标识码:ANoisesuppressionofinvertedpendulumsystembasedonKalmanfilterQIQian1,2,LIZu-shu1,TANZhi1,DANYuan-hong1,XIAOLin1(1.AutomationDepartment，ChongqingUniversity，Chongqing400030，Chin

3、a；2.CollegeofComputerandInformationScience，SouthwestUniversity，Chongqing400715，China．Correspondent：QIQian，E-mail：qiqian@188.com)Abstract:Inthestabilizationofinvertedpendulum,theangleispollutedbythemeasurementnoise.Whenmakinguseoftheanglesignaltocalculatetheangularvelocitythroughdifference,thenois

4、eisamplified,whichmakesthecontrolleroutputoscillaterandomly.Besides,themotor,astheactuator,ispollutedbytheplantnoise,leadstothestrongsystemoscillation,whichnotonlyisharmfulforpendulumstabilization,butalsoreducesthemotor’sservicelife.Combiningthesteady-stateKalmanfilterwiththedisappearingmemorymetho

5、d,theeffectivewaytodeterminetheKalmanfiltergainmatrixisfoundout,whichovercomesthemodelerror,satisfiestherealtimerequirement,decreasesthemotor’soscillation,andgetsthebetterperformance.Keywords:Invertedpendulum；Noise；Steady-stateKalmanfilter；Disappearingmemorymethod1引引引言言言的测量噪音和差分方法求取角速度所引入的噪音,也倒立摆以其典

6、型的高阶、多变量、强耦合和非线未考虑电机的过程噪音,使得倒立摆稳摆控制中出现性成为检验新的控制方法有效性的常用实验手段.倒了较强的随机抖动,不利于系统的稳定,缩短了电机立摆的控制方法和技术广泛应用于飞行器对接、火箭的使用寿命.经典的卡尔曼滤波技术利用被控对象的发射的垂直度控制、导弹拦截、机器人和一般工业过数学模型和传感器的实测数据进行预测和校正,以估程控制等领域.在对倒立摆的研究过程中人们提出了计动态系统的状态变量,并在实际应用中,产生了各种有效的改进方法[6,7].二级倒立摆是一个高阶系统,多种控制方法:文献[1]使用滑模控制算法,实现了平面倒立摆的稳摆控制;[2]使用LQR控制器实现

7、了直经典卡尔曼滤波器在递推过程中要进行高阶矩阵的线二级摆的倒立稳定;[3]使用自适应模糊控制技术求逆,难以满足控制实时性要求.同时在倒立摆建模实现了直线一级摆的稳摆控制;[4]使用仿人智能控过程中,因为参数的精确值难以获得、模型线性化和制理论实现了二级倒立摆各个平衡姿态的任意切换;离散化等原因,不可避免地出现较大的模型误差.[5]利用变论域模糊控制实现了三级倒立摆的倒立稳本文将稳态卡尔曼滤波技术和渐消记忆法相结定.这些控制算法均以摆