基于MATLAB的两轮自平衡小车动力学建模与控制系统仿真

资 源 简 介

本项目利用MATLAB实现两轮自平衡小车的非线性动力学建模，通过建立倾斜角度和位移状态的运动方程，结合PID控制器验证其动态平衡性能。仿真结果展示了控制策略的有效性与系统稳定性，适用于控制理论学习与算法验证。

详 情 说 明

两轮自平衡小车动力学建模与控制系统仿真

项目介绍

本项目基于MATLAB构建了两轮自平衡小车的完整动力学模型，通过牛顿-欧拉法建立了非线性动力学方程，并采用状态空间线性化处理方法。项目重点研究了PID控制策略在小车自平衡控制中的应用，通过仿真验证了控制系统在姿态调节中的动态响应性能，为实际两轮平衡机器人的控制器设计提供理论依据和仿真支持。

功能特性

• 精确动力学建模：采用牛顿-欧拉法建立包含车身倾斜、车轮转动的完整非线性动力学模型
• 控制系统设计：基于状态空间线性化方法设计PID控制器，实现小车自平衡控制
• 多维度仿真分析：提供时域响应曲线、性能指标分析和三维动画演示
• 参数可配置：支持物理参数、控制参数和初始状态的灵活配置
• 性能验证：自动计算超调量、调节时间和稳态误差等关键性能指标

使用方法

1. 在MATLAB环境中打开项目文件夹
2. 直接运行主程序文件启动仿真
3. 在代码中修改以下参数可自定义仿真条件：

- 物理参数：小车质量、车轮半径、转动惯量 - 控制参数：期望平衡角度、PID增益(Kp,Ki,Kd) - 初始状态：初始倾斜角、位移、角速度

1. 仿真结束后将自动生成响应曲线和性能分析报告
2. 可选择开启三维动画演示实时观察小车平衡过程

系统要求

• MATLAB R2018b或更高版本
• 必需工具箱：Simulink、Control System Toolbox
• 推荐工具箱：Simscape Multibody（用于三维动画）

文件说明

主程序文件整合了系统的核心功能，包括动力学模型建立、控制器设计、仿真执行和结果可视化。具体实现了参数初始化配置、非线性微分方程求解、PID控制算法实施、时域响应数据计算以及动态动画生成等关键环节，能够完整呈现从模型构建到控制验证的全过程。