欠驅(qū)動(dòng)機(jī)械系統(tǒng)的非線性控制研究.pdf

1、欠驅(qū)動(dòng)機(jī)械系統(tǒng)是指系統(tǒng)的獨(dú)立控制變量個(gè)數(shù)小于系統(tǒng)自由度個(gè)數(shù)的一類非線性系統(tǒng)。它在減少執(zhí)行元件個(gè)數(shù)，減輕系統(tǒng)重量以及降低成本方面具有很大的優(yōu)勢(shì)，因此對(duì)它的研究具有重要的理論意義和實(shí)用價(jià)值。同時(shí)由于欠驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的高度非線性、參數(shù)攝動(dòng)、多目標(biāo)控制要求等原因，使得欠驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的控制具有較大的難度。本論文以欠驅(qū)動(dòng)機(jī)械系統(tǒng)Pendubot和Furuta擺為對(duì)象，研究一類非完整欠驅(qū)動(dòng)機(jī)械系統(tǒng)的控制方法。Pendubot和Furuta擺系統(tǒng)都有兩個(gè)自由度，

2、但只有一個(gè)驅(qū)動(dòng)裝置。Pendubot是一個(gè)在垂直平面上運(yùn)動(dòng)的二桿機(jī)械臂，在肩部有一個(gè)驅(qū)動(dòng)器(電機(jī))，肘部沒有驅(qū)動(dòng)裝置。控制目標(biāo)是將系統(tǒng)從其平穩(wěn)下垂位置，通過肩部的電機(jī)力矩驅(qū)動(dòng)及依賴系統(tǒng)本身的非線性耦合擺動(dòng)至垂直豎立位置并使之最終平衡。Furuta擺是由位于水平面上的桿聯(lián)接豎直平面的桿組成，其中在平面上轉(zhuǎn)動(dòng)的桿帶有驅(qū)動(dòng)電機(jī)，并通過末端的鉸帶動(dòng)豎直面的欠驅(qū)動(dòng)桿擺動(dòng)，控制的目標(biāo)是將欠驅(qū)動(dòng)桿從其平穩(wěn)的下垂位置，通過水平桿的轉(zhuǎn)動(dòng)力矩?cái)[動(dòng)到垂直豎立

3、的位置并使之最終平衡。 論文首先利用拉格朗日動(dòng)力學(xué)方程，建立Pendubot和Furuta擺欠驅(qū)動(dòng)機(jī)械系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)模型，根據(jù)該模型及系統(tǒng)參數(shù)提出了欠驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的控制策略。利用基于無源的控制方法設(shè)計(jì)搖起控制器，通過切換轉(zhuǎn)為基于線性二次調(diào)節(jié)器(Linear Quadratic Regulator-LQR)平衡控制策略或神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)平衡控制策略建立的平衡控制器，實(shí)現(xiàn)了對(duì)Pendubot和Furuta擺欠驅(qū)動(dòng)機(jī)械系統(tǒng)的搖起和平衡控制。其次，引入