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双轮自平衡小车是一个基于轮式倒立摆模型的实际应用系统。它的机体结构通常包含车体、底盘、轮系,组成简单,体积小,运动灵活,但其动力学系统具有多变量、非线性、强耦合、参数不确定等特性,是一类非完整的和欠驱动的非平衡系统。因而双轮自平衡小车有很强的控制理论研究意义。本文就双轮自平衡系统模型进行控制方法的研究。本文在充分分析国内外研究现状的基础上,通过牛顿定律,对双轮自平衡小车系统建立非线性系统模型。根据研究方向对系统模型进行解耦,得到系统直线运动模型。对非线性模型进行线性化,采用了局部反馈的精确线性化方法,经过对其可控矩阵条件数研究,得出反馈线性化模型是相比较于泰勒级数与直接线性化方法更逼近于原非线性系统。并在此线性模型的基础上,分析系统的可控性、客观性、稳定性。本文的重点是双轮自平衡小车系统的控制方法的设计,主要以极点配置与变结构控制为研究方向。控制方法的设计模型便为反馈线性化得到的线性模型。根据现代控制理论,极点配置是一种控制简单、易于实现且控制高效的方法,根据此方法,在系统偏离平衡点某一邻域时,都可以得到满意的控制。但其对于非线性系统以及实际中存在的环境干扰、参数扰动等情况,极点配置的控制效果往往不如人意,故而本文又从变结构控制着手研究。根据变结构控制的基本理论可知,变结构控制有着很好的鲁棒性,但会存在明显的抖振现象。因此在最基本的变结构控制的基础上,改善抖振现象。首先采用基于指数趋近律的变结构控制,可以观测到抖振明显减弱。为进一步改善控制效果,将基于指数趋近律的控制改为模糊变结构控制,使其控制效果更为理想。最后通过仿真对比,从状态响应、可控范围、抖振情况及抗干扰情况的仿真结果分析,可以发现经过改善后的模糊变结构控制能够在有限的时间内达到平衡状态,系统的超调量波动都很小,可控角范围较大,且有较强的抗干扰能力,变结构的抖振缺陷也得到了有效的遏制。