一類欠驅(qū)動(dòng)機(jī)械系統(tǒng)的起擺控制方法研究.pdf

1、欠驅(qū)動(dòng)機(jī)械系統(tǒng)是一類控制輸入變量個(gè)數(shù)少于系統(tǒng)自由度的非線性系統(tǒng)，具有強(qiáng)非線性和強(qiáng)耦合特性。因?yàn)榍夫?qū)動(dòng)部分不能直接控制，所以一般的光滑反饋控制方法對(duì)這樣的系統(tǒng)是無(wú)效的。欠驅(qū)動(dòng)機(jī)械系統(tǒng)廣泛存在于機(jī)器人系統(tǒng)、空間飛行器系統(tǒng)、航海系統(tǒng)、柔性系統(tǒng)以及機(jī)車系統(tǒng)中。近年來(lái)，由于實(shí)際應(yīng)用的需要，欠驅(qū)動(dòng)機(jī)械系統(tǒng)控制問(wèn)題已經(jīng)逐漸成為非線性控制領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)之一。雖然欠驅(qū)動(dòng)機(jī)械系統(tǒng)有很多類型，但是Pendubot系統(tǒng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，具有較強(qiáng)非線性和耦合性，控制困難

2、，實(shí)現(xiàn)其控制對(duì)其它欠驅(qū)動(dòng)機(jī)械系統(tǒng)控制也具有比較好的借鑒意義。因此本文以Pendubot為研究對(duì)象，進(jìn)行了相關(guān)控制算法研究。
　　Pendubot是一個(gè)單輸入兩輸出欠驅(qū)動(dòng)平面機(jī)器人。與直線擺和旋轉(zhuǎn)擺不同，它具有一些旋轉(zhuǎn)耦合特性。例如，在直線擺和旋轉(zhuǎn)擺系統(tǒng)中，其動(dòng)力學(xué)模型在任意工作點(diǎn)的線性化模型都是相同和可控的。但是Pendubot系統(tǒng)在各個(gè)工作點(diǎn)的線性化模型是不同的，并且有些是不可控的。Pendubot控制主要分為起擺控制和平衡控制

3、，其中，起擺控制是Pendubot控制的難點(diǎn)，現(xiàn)在已有的起擺控制算法大多具有以下幾個(gè)問(wèn)題:(1)控制器設(shè)計(jì)未考慮摩擦的影響，因此提出的控制方法需要多次擺動(dòng)驅(qū)動(dòng)臂;(2)控制器設(shè)計(jì)基于精確動(dòng)力學(xué)模型，控制算法復(fù)雜，而且提出的控制方法只停留于仿真。
　　針對(duì)上述問(wèn)題，本文以Pendubot實(shí)際系統(tǒng)為對(duì)象，開展了一類欠驅(qū)動(dòng)機(jī)械系統(tǒng)的起擺控制方法研究，取得主要成果如下：
　　(1)當(dāng)Pendubot的控制目標(biāo)為最高不穩(wěn)定平衡位置時(shí)，

4、為了消除系統(tǒng)摩擦產(chǎn)生的擾動(dòng)影響，本文設(shè)計(jì)了神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)補(bǔ)償器;為了消除基于能量控制器的奇異性，通過(guò)構(gòu)造適當(dāng)能量評(píng)價(jià)函數(shù)，給出了基于奇異避免的能量控制器。在此基礎(chǔ)上，提出了基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)補(bǔ)償摩擦的能量控制器，并對(duì)閉環(huán)系統(tǒng)進(jìn)行了穩(wěn)定性和收斂性分析。仿真結(jié)果表明，與已有的欠驅(qū)動(dòng)平面機(jī)器人的控制器相比，本文提出的控制器使得Pendubot較短時(shí)間內(nèi)一次擺起到控制目標(biāo)。
　　(2)當(dāng)Pendubot的控制目標(biāo)為非平衡位置時(shí)，由于重力影響，系統(tǒng)摩擦

5、力特性變得更加復(fù)雜，為了消除系統(tǒng)摩擦產(chǎn)生的擾動(dòng)影響，本文設(shè)計(jì)了模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)補(bǔ)償器。結(jié)合基于奇異避免的能量控制器，提出了基于模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)補(bǔ)償摩擦的能量控制器，并對(duì)閉環(huán)系統(tǒng)進(jìn)行了穩(wěn)定性和收斂性分析。仿真結(jié)果表明，比基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)補(bǔ)償摩擦的能量控制器具有更好的控制性能。
　　(3)建立了一個(gè)三自由度欠驅(qū)動(dòng)平面機(jī)器人的動(dòng)態(tài)模型，當(dāng)控制目標(biāo)為最高不穩(wěn)定平衡位置時(shí)，本文設(shè)計(jì)了模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)摩擦補(bǔ)償器和基于奇異避免的能量控制器。在此基礎(chǔ)上，提出了基

6、于模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)補(bǔ)償摩擦的能量控制器，并對(duì)閉環(huán)系統(tǒng)進(jìn)行了穩(wěn)定性和收斂性分析。仿真結(jié)果表明，本文所提出的控制器使得三自由度欠驅(qū)動(dòng)平面機(jī)器人較短時(shí)間內(nèi)一次擺起到控制目標(biāo)。
　　(4)采用Pendubot實(shí)際系統(tǒng)，開展了所提出控制方法的實(shí)驗(yàn)研究。當(dāng)Pendubot的控制目標(biāo)為最高不穩(wěn)定平衡位置時(shí)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，與已有的欠驅(qū)動(dòng)平面機(jī)器人的控制器相比，本文提出的控制器使得Pendubot具有更高的起擺控制成功率;當(dāng)Pendubot的控制目標(biāo)為