【倒立摆】基于UKF控制器的一级环形倒立摆simulink建模与仿真,对比EKF

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原创 2025-07-13 18:21:59 621 阅读 AI 写同款· GEO 优化 ›
基于能量控制的环形一级倒立摆控制模型仿真 为了设计控制器，我们需要引入能量控制（Energy Control）方法，以便在控制器中加入一个能量函数。通过将总能量差分为平衡点能量和非平衡点能量，我们可以得到控制输入信号与非平衡点能量之间的关系。在CIP系统的控制器中，我们使用能量控制器来控制系统的非平衡点能量。具体地，我们可以将非平衡点能量定义为系统当前能量减去平衡点能量。在本文中，我们将介绍CIP系统的建模过程、控制器的设计和实现以及仿真结果的分析。在CIP系统中，外环表示用于控制旋转角的角度控制器，内环则用于控制平衡位置的位置控制器。 阅读详情

目录

1.算法仿真效果

2.MATLAB程序

3.算法概述

4.部分参考文献

5.程序内容，运行方法和源码获取

5.1 作品内容 

5.2 运行方法

5.3 源码获取

1.算法仿真效果

Matlab2024b仿真结果如下：

EKF

UKF

2.MATLAB程序

21

3.算法概述

       一级环形倒立摆是典型的欠驱动、强非线性、自然不稳定系统，由环形摆体、旋转臂、驱动电机及传感器组成。其核心控制目标是通过控制旋转臂的旋转运动，使环形摆体从自然下垂的不稳定状态稳定在垂直倒立位置，并实现旋转臂的位置跟踪。

      一级环形倒立摆的动力学方程可通过拉格朗日方程推导：

EKF是卡尔曼滤波在非线性系统中的扩展，通过一阶泰勒展开线性化非线性模型，适用于轻度非线性系统。

EKF在倒立摆中的应用

UKF和EKF对比

指标EKFUKF
线性化方式一阶泰勒展开无迹变换（概率分布近似）
非线性适应性弱（强非线性区域误差大）强（全量程保持高精度）
计算复杂度低（雅可比矩阵推导复杂）中（sigma 点传播简单）
噪声鲁棒性一般（线性化放大噪声）优（分布近似保留噪声特性）
摆体大幅摆动误差较大（线性化失效）较小（sigma 点覆盖状态空间）

4.部分参考文献

[1]余扬,李艳彩,陈君华.基于无迹卡尔曼滤波的一级倒立摆双回路PID控制[J].电脑知识与技术：学术版, 2019(1X):4.DOI:CNKI:SUN:DNZS.0.2019-03-114.

5.程序内容，运行方法和源码获取

5.1 作品内容 

matlab程序/Simulink模型文件

5.2 运行方法

1.在matlab的左侧的当前文件夹窗口；

2.运行INITIAL_SETUP.m文件；然后再运行main.mdl

5.3 源码获取

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#UKF控制器 #EKF #simulink #一级环形倒立摆
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【一级倒立摆】基于EKF和UKF能量控制的环形一级倒立摆的控制模型仿真 1.软件版本 matlab2013b 2.本算法理论知识 首先进行一级环形倒立摆的建模过程如下所示： 该次设计所研究的旋转倒立摆系统模型如图1所示，倒立摆模块由倒立摆的摆杆和一个支撑摆杆的旋转臂组成，摆杆固定在旋转臂一端，可以在垂直于转臂的方向上做360度的转动。旋臂的另一端安装在一个旋转伺服装置上，伺服装置通过电机驱动齿轮转动来实现旋臂在水平面内做360度的旋转。在摆杆的底端以及旋臂的里端均装有光电编码器，用来检测角度的变化并将信号传送给计算机。 涉及到的参数有： ... 阅读详情

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