基于MATLAB的兩輪自平衡小車系統(tǒng)模型辨識

學兔兔

第1期 (總第170期) 機 械 工程 與 自動 化 NO．1

2012年 2月 MECHANICAL ENGINEERING & AUTOMATION Feb．

文章編號：1672—6413(2012)01—0067—03

基于MATLAB的兩輪自平衡小車系統(tǒng)模型辨識

俞曉峰

(太原理工大學 機械工程學院．山西 太原 030024)

摘要：針對某兩輪自平衡4、車進行了系統(tǒng)模型辨識。通過示波器采集實際輸入輸出數(shù)據(jù)，運用MATLAB軟

件環(huán)境下的系統(tǒng)辨識工具箱進行了數(shù)據(jù)的預處理、模型類型的選擇、參數(shù)估計以及模型驗證和比較等工作．

并最終確定系統(tǒng)模型．為兩輪自平衡小車控制系統(tǒng)的設計提供依據(jù)。

關鍵詞：系統(tǒng)辨識；自平衡小車；MATLAB

中圖分類號：TP273 文獻標識碼：A

0 引言 樣頻率2 kHz)，輸入數(shù)據(jù)為小車電機驅(qū)動電壓，輸

兩輪自平衡小車的想法來源于倒立擺系統(tǒng)，因此 出數(shù)據(jù)為傳感器輸出電壓，可通過計算獲得小車傾斜

其系統(tǒng)也相應地具有非線性、強耦合、多變量以及本 角度。其原始采集數(shù)據(jù)如圖l所示，圖2與圖3分別

質(zhì)不穩(wěn)定等多個特點[1]，正是由于這些特點的存在， 為數(shù)據(jù)導入MATLAB中所繪制的輸入和輸出曲線。

使我們運用機理建模所確定的小車系統(tǒng)模型無法用于

實測中，達不到滿意的控制效果。而通過系統(tǒng)辨識

(system identification)所確定的系統(tǒng)模型則可以有效

地解決這一問題。系統(tǒng)辨識是一種利用系統(tǒng)的輸入輸

出數(shù)據(jù)建模的方法，是黑箱建模問題，即使對系統(tǒng)的

結(jié)構和參數(shù)一無所知，也可以通過多次測量得到的系統(tǒng)

的輸入和輸出的數(shù)據(jù)來求得系統(tǒng)的模型，是對實際系統(tǒng)

的一個合適的近似[2]。因此，只需要通過采集小車實際

輸人輸出數(shù)據(jù)，并結(jié)合運用MATLAB軟件環(huán)境中的系

統(tǒng)辨識工具箱，就可以完成兩輪自平衡小車的建模。

1 MATLAB系統(tǒng)辨識工具箱

圖l 示波器實測輸入輸出曲線

MATLAB的系統(tǒng)辨識工具箱提供了多種進行系統(tǒng)

3 數(shù)據(jù)預處理

模型辨識的工具[3]，包括：①參數(shù)模型辨識工具，如

在MATLAB命令窗口中鍵入ident即可打開系統(tǒng)

ARx、ARMAX、OE、BJ及狀態(tài)空間模型辨識等；②

辨識工具箱的交互式界面，如圖4所示。其中在

非參數(shù)模型辨識工具，如脈沖響應模型、頻域描述模

Preprocess操作框中，可以對數(shù)據(jù)進行預處理操作，包

型；③模型驗證工具，可將真實數(shù)據(jù)與模型預測數(shù)據(jù)

括選擇實驗數(shù)據(jù)組、合并實驗數(shù)據(jù)、選擇數(shù)據(jù)區(qū)域、

進行對比，并計算殘差；④遞推參數(shù)估計，利用遞推

平均值去除、消除數(shù)據(jù)趨勢項、濾波器、重新采樣

算法對ARMAX、BJ等模型進行遞推參數(shù)估計；⑤各

等[43。由于通過實測所得的數(shù)據(jù)當中包括許多干擾項，

總結(jié)

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