基于模糊PID算法的平衡車自適應(yīng)控制

摘 要：為解決兩輪平衡車在行駛中控制難度大的問題，設(shè)計(jì)了一種非基于模型的比例積分微分（PID）控制策略，避免了基于模型的現(xiàn)代控制方案中存在的設(shè)計(jì)過程繁雜的問題。針對(duì)PID控制穩(wěn)定性低、自適應(yīng)性差的問題，本實(shí)驗(yàn)進(jìn)一步優(yōu)化出了以位移為反饋的模糊PID控制器。根據(jù)平衡車的物理結(jié)構(gòu)，對(duì)其進(jìn)行了數(shù)學(xué)建模；基于系統(tǒng)的狀態(tài)空間表達(dá)式，對(duì)其作了可控性分析。傳統(tǒng)PID存在的一項(xiàng)艱巨任務(wù)是確定控制器的參數(shù)，且一旦確定了參數(shù)，就很難再重新整定它，故本實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)了模糊邏輯控制器（FLC）以更新PID的權(quán)重參數(shù) -Kp，Ki和Kd。通過Matlab仿真對(duì)比驗(yàn)證，本實(shí)驗(yàn)得到了PID及模糊PID兩種控制方案下系統(tǒng)的響應(yīng)與信號(hào)跟蹤情況，模糊PID控制相比PID控制具有更好的控制效果：系統(tǒng)的調(diào)節(jié)速度提高了60%左右，穩(wěn)定性提高了將近50%。在平衡車的負(fù)載重量發(fā)生變化的時(shí)候，傳統(tǒng)PID控制難以避免地出現(xiàn)階躍響應(yīng)波動(dòng)明顯的情況，而模糊PID的系統(tǒng)響應(yīng)相對(duì)平穩(wěn)。因此，模糊PID控制下的平衡車系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)不同承載情況下位移的準(zhǔn)確跟蹤，滿足了平衡車對(duì)系統(tǒng)穩(wěn)、快、準(zhǔn)的要求。

關(guān)鍵詞：模糊 PID 平衡車 仿真 自適應(yīng)

0 引言

此實(shí)驗(yàn)中系統(tǒng)的被控對(duì)象為平衡車，它的模型相當(dāng)于一個(gè)倒立擺系統(tǒng)[1-2]。然而，這個(gè)倒立擺系統(tǒng)是不穩(wěn)定的：如果沒有電動(dòng)推車的輸入控制電壓，擺桿則會(huì)輕易地掉落。倒立擺的平衡狀態(tài)需要靠電動(dòng)推車的移動(dòng)來維持。另外，該系統(tǒng)的動(dòng)力學(xué)是非線性的。在國(guó)內(nèi)外研究中，這個(gè)控制系統(tǒng)的平衡可通過各種算法來實(shí)現(xiàn)[3-4]。……