一類欠驅(qū)動機械系統(tǒng)的起擺控制方法研究.pdf

1、欠驅(qū)動機械系統(tǒng)是一類控制輸入變量個數(shù)少于系統(tǒng)自由度的非線性系統(tǒng)，具有強非線性和強耦合特性。因為欠驅(qū)動部分不能直接控制，所以一般的光滑反饋控制方法對這樣的系統(tǒng)是無效的。欠驅(qū)動機械系統(tǒng)廣泛存在于機器人系統(tǒng)、空間飛行器系統(tǒng)、航海系統(tǒng)、柔性系統(tǒng)以及機車系統(tǒng)中。近年來，由于實際應(yīng)用的需要，欠驅(qū)動機械系統(tǒng)控制問題已經(jīng)逐漸成為非線性控制領(lǐng)域的研究熱點之一。雖然欠驅(qū)動機械系統(tǒng)有很多類型，但是Pendubot系統(tǒng)結(jié)構(gòu)復雜，具有較強非線性和耦合性，控制困難

2、，實現(xiàn)其控制對其它欠驅(qū)動機械系統(tǒng)控制也具有比較好的借鑒意義。因此本文以Pendubot為研究對象，進行了相關(guān)控制算法研究。
　　Pendubot是一個單輸入兩輸出欠驅(qū)動平面機器人。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，其動力學模型在任意工作點的線性化模型都是相同和可控的。但是Pendubot系統(tǒng)在各個工作點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，現(xiàn)在已有的起擺控制算法大多具有以下幾個問題:(1)控制器設(shè)計未考慮摩擦的影響，因此提出的控制方法需要多次擺動驅(qū)動臂;(2)控制器設(shè)計基于精確動力學模型，控制算法復雜，而且提出的控制方法只停留于仿真。
　　針對上述問題，本文以Pendubot實際系統(tǒng)為對象，開展了一類欠驅(qū)動機械系統(tǒng)的起擺控制方法研究，取得主要成果如下：
　　(1)當Pendubot的控制目標為最高不穩(wěn)定平衡位置時，

4、為了消除系統(tǒng)摩擦產(chǎn)生的擾動影響，本文設(shè)計了神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)補償器;為了消除基于能量控制器的奇異性，通過構(gòu)造適當能量評價函數(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)補償摩擦的能量控制器，并對閉環(huán)系統(tǒng)進行了穩(wěn)定性和收斂性分析。仿真結(jié)果表明，與已有的欠驅(qū)動平面機器人的控制器相比，本文提出的控制器使得Pendubot較短時間內(nèi)一次擺起到控制目標。
　　(2)當Pendubot的控制目標為非平衡位置時，由于重力影響，系統(tǒng)摩擦

5、力特性變得更加復雜，為了消除系統(tǒng)摩擦產(chǎn)生的擾動影響，本文設(shè)計了模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)補償器。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)補償摩擦的能量控制器，并對閉環(huán)系統(tǒng)進行了穩(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)補償摩擦的能量控制器具有更好的控制性能。
　　(3)建立了一個三自由度欠驅(qū)動平面機器人的動態(tài)模型，當控制目標為最高不穩(wěn)定平衡位置時，本文設(shè)計了模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)摩擦補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)補償摩擦的能量控制器，并對閉環(huán)系統(tǒng)進行了穩(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)動平面機器人較短時間內(nèi)一次擺起到控制目標。
　　(4)采用Pendubot實際系統(tǒng)，開展了所提出控制方法的實驗研究。當Pendubot的控制目標為最高不穩(wěn)定平衡位置時，實驗結(jié)果表明，與已有的欠驅(qū)動平面機器人的控制器相比，本文提出的控制器使得Pendubot具有更高的起擺控制成功率;當Pendubot的控制目標為