南京林业大学 解文周 张子璇 台永鹏

两轮自平衡小车由于其不稳定性、多变量、非线性、强耦合的特点，成为测试控制算法的代表平台。通过比较在不同的常规输入下并行PID控制和串级PID控制自平衡小车的各项响应，分析两种控制系统的各自优缺点及适用范围。指出了串级系统相对较优秀的抗干扰能力以及并行系统在一定干扰下的良好稳定性。

两轮自平衡机器人是典型的倒立摆模型，具有本质不稳定性、多变量、非线性、强耦合的特点，成为测试控制算法的代表平台。针对两轮自平衡机器人，目前采用的控制方法主要有模糊控制、自适应控制、LQG控制和PID控制等。PID控制是应用最为广泛的一种自动控制策略。它具有原理简单，易于实现，适用面广，控制参数相互独立，参数的选定比较简单等优点；而且在理论上可以证明，对于过程控制的典型对象——“一阶滞后+纯滞后”与“二阶滞后+纯滞后”的控制对象，PID控制器是一种最优控制，但其仍存在易导致大的超调量和易受到干扰等问题。

两轮自平衡机器人常见的PID控制方法有并行控制和串级控制两种，目前关于两种控制方法之间控制效果比较的研究较少，各自优缺点尚不明朗。本文通过对两轮自平衡机器人建立动力学模型，分别搭建串级PID控制系统与并行PID控制系统，比较分析了两种控制方法在不同输入下的输出结果，并指出了各自的优缺点。

1 动力学模型

为了简易两轮自平衡机器人的分析研究，建立其简化模型，如图1所示。……