二級倒立擺平衡點間任意轉(zhuǎn)換的運動控制方法研究.pdf

1、倒立擺是一種典型的非線性、欠驅(qū)動、多變量、強耦合的多剛體連桿結(jié)構(gòu)機械裝置，其驅(qū)動個數(shù)少于自由度，依賴于關(guān)節(jié)的耦合作用實現(xiàn)對非驅(qū)動關(guān)節(jié)的間接控制，控制難度很大，能直觀反映出鎮(zhèn)定、隨動、魯棒性等控制中的典型問題，是檢驗控制理論與控制方法的首選平臺，被稱為“控制領(lǐng)域的明珠”和“控制理論的試金石”。在現(xiàn)實生活中，雙足步行機器人、欠驅(qū)動機械臂、兩輪平衡車、火箭垂直度等控制問題都可以抽象為倒立擺加以研究，相關(guān)控制方法在軍工、航天、機器人等領(lǐng)域有著廣

2、泛用途。
　　倒立擺的每根擺桿都有垂直向下(Down)和垂直向上(Up)兩個平衡點，N級倒立擺有2N個平衡點，其中僅懸垂位置為自然平衡點，其余皆為需要控制才能保持平衡的臨界平衡點。大多數(shù)研究集中在平衡點附近的穩(wěn)定控制，以及從懸垂點到倒立點的擺起控制；對于擺桿平衡點之間大范圍內(nèi)的任意轉(zhuǎn)換運動控制則鮮有涉及。倒立擺平衡點間的大范圍非線性運動，不僅需要對擺桿的角度進行精確控制，還需要頻繁調(diào)整擺桿間的相對姿態(tài)、擺桿的動能與勢能，這些目標都

3、只能通過單個控制輸入來實現(xiàn)，控制難度極大。本文針對二級倒立擺四個平衡點間任意轉(zhuǎn)換的大范圍非線性欠驅(qū)動控制問題，展開了類等效建模與非線性動力學分析、控制方法與控制器設(shè)計、未建模動態(tài)抑制等方面的研究工作，主要內(nèi)容如下：
　?、籴槍Φ沽[動力學特性復(fù)雜，線性化分析方法無法滿足控制需求的問題，提出了一種非線性動力學分析方法。該方法首先建立起倒立擺的類等效動力學模型，針對被動關(guān)節(jié)進行動力學解耦，推導出被動關(guān)節(jié)的二階非完整約束角加速度表達式，

4、分離出擺桿的控制作用強度函數(shù)、重力作用強度函數(shù)、轉(zhuǎn)動摩擦作用強度函數(shù)、以及旋轉(zhuǎn)離心力作用強度函數(shù)。深入分析了擺桿空間位姿與擺桿控制作用強度之間的量化關(guān)系，以及動力學參數(shù)與擺桿控制作用強度的量化關(guān)系，為控制器設(shè)計與機械系統(tǒng)設(shè)計提供借鑒與參考。
　?、卺槍趧佑X智能圖式的仿人智能控制（SMIS-HSIC）中高層智能形式化描述不足，缺乏應(yīng)用算法的問題，在深入分析SMIS-HSIC中兩類基本過程的基礎(chǔ)上，提出以動覺智能圖式作為SMIS-

5、HSIC系統(tǒng)的基本組成單元，實現(xiàn)了低階動覺智能圖式、高階關(guān)聯(lián)圖式、平衡調(diào)節(jié)圖式、同化圖式、順應(yīng)圖式的形式化描述的統(tǒng)一。應(yīng)用改進SMIS-HSIC方法，結(jié)合非線性控制特性分析與先驗知識，率先實現(xiàn)了二級倒立擺平衡點間任意轉(zhuǎn)換運動控制。
　　③針對實際系統(tǒng)中未建模動態(tài)導致控制系統(tǒng)穩(wěn)定性與可靠性無法滿足工程化應(yīng)用的問題，提出一類在線與離線相結(jié)合的未建模動態(tài)抑制方法，其中在線部分采用實時特征識別與基于增益調(diào)度算法的補償控制相結(jié)合的方法，實現(xiàn)