倒立摆小车系统的级联PID控制：仿真与实验分析
系统与控制
2026-05-11 v1 系统与控制
摘要
本研究通过仿真与实验实现，考察了级联PID控制架构应用于倒立摆小车系统的性能。使用Simscape Multibody在Simulink中构建了系统的非线性模型，同时使用直流电机驱动的小车、摆杆、旋转编码器、超声波传感器和Arduino搭建了物理原型。级联PID控制结构包括内环调节摆角、外环控制小车位置。仿真结果表明，在理想条件下，系统能够有效稳定摆杆并实现满意的位置跟踪。实验结果确认了实时稳定的成功，但由于传感器噪声、未建模的摩擦及实现限制，控制器增益、瞬态行为和扰动响应与仿真结果存在显著差异。研究还指出，在受限轨道长度下，级联PID控制在扰动抑制和大位移命令方面的局限性，尤其是与基于LQR的内环控制相比，后者在扰动抑制和减小超调方面表现更好。本研究提供了关于级联PID控制在倒立摆系统中适用性与局限性的实用见解。
引用
@article{arxiv.2605.07712,
title = {Cascade PID Control of an Inverted Pendulum on a Cart System: Simulation and Experimental Analysis},
author = {Khalid Mehrab and Md Zamiul Alam and Shadman Tahmid Haque},
journal= {arXiv preprint arXiv:2605.07712},
year = {2026}
}