Acrobot起擺與平衡控制研究.pdf

1、欠驅(qū)動系統(tǒng)是驅(qū)動器數(shù)目少于自由度數(shù)目的一類非線性系統(tǒng)，其驅(qū)動裝置的減少使得對其的控制富于挑戰(zhàn)性。欠驅(qū)動系統(tǒng)具有重量輕、能耗低的優(yōu)點，特別適于機器人、航天航空等對質(zhì)量和能耗敏感的領域。因此對欠驅(qū)動系統(tǒng)控制問題的研究具有重要意義。Acrobot是一類典型的欠驅(qū)動系統(tǒng)，研究其控制問題有助于促進欠驅(qū)動機械系統(tǒng)控制理論的發(fā)展。本論文主要研究Acrobot起擺和平衡控制問題，結(jié)合Acrobot實物裝置，從理論和實踐兩方面展開研究。
　　本文對

2、Acrobot建立了基于拉格朗日方程的動力學模型、平衡區(qū)附近的線性化模型和基于哈密頓正則方程的動力學模型，通過仿真實驗驗證了模型的正確性。不同工況采用不同的數(shù)學模型有助于控制器的設計。針對起擺和平衡控制目標，本文提出了兩種控制策略：基于IDA-PBC方法的直接起擺和平衡控制策略以及起擺控制器和平衡控制器相切換的控制策略。前者采用IDA-PBC方法設計的控制器能直接實現(xiàn)起擺和平衡控制。后者需分別設計起擺控制器和平衡控制器，在一定條件下實現(xiàn)

3、切換以完成控制目標。采用部分反饋線性化方法設計了起擺控制器，并優(yōu)化了連桿2的參考路徑；采用LQR方法設計了平衡控制器。仿真實驗證明了兩種控制策略的有效性，同時證明第一種控制策略具有所需轉(zhuǎn)矩大、桿2擺幅大的缺點，難以應用于實物裝置，而切換控制策略不存在這些問題。故而將應用切換控制策略進行起擺和平衡控制實物實驗。
　　本文將Acrobot實物實驗平臺分為五個部分進行了闡述。其一是Acrobot機械本體，將其與國外學者設計的機械本體進行

4、了比較；其二是基于DSP的運動控制卡設計，通過調(diào)試證明其性能比基于ARM7和Rabbit3000的運動控制卡更優(yōu)越；其三是電機驅(qū)動環(huán)節(jié)，重點介紹了電流環(huán)的實現(xiàn)，通過優(yōu)化電流的跟隨速度和穩(wěn)態(tài)精度較以前均有大幅提升；其四是狀態(tài)檢測環(huán)節(jié)；其五是基于RTDX的上位機監(jiān)控軟件。采用UKF方法得到實物系統(tǒng)的辨識參數(shù)，在此基礎上應用切換控制策略成功地實現(xiàn)了Acrobot的起擺和平衡控制，證明控制算法是有效的。外部擾動實驗和加長桿實驗表明平衡控制器具有