Acrobot起擺與平衡控制研究.pdf

1、欠驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)是驅(qū)動(dòng)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(dòng)裝置的減少使得對其的控制富于挑戰(zhàn)性。欠驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)具有重量輕、能耗低的優(yōu)點(diǎn)，特別適于機(jī)器人、航天航空等對質(zhì)量和能耗敏感的領(lǐng)域。因此對欠驅(qū)動(dòng)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(dòng)系統(tǒng)，研究其控制問題有助于促進(jìn)欠驅(qū)動(dòng)機(jī)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(shí)物裝置，從理論和實(shí)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(dòng)力學(xué)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(dòng)力學(xué)模型，通過仿真實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了模型的正確性。不同工況采用不同的數(shù)學(xué)模型有助于控制器的設(shè)計(jì)。針對起擺和平衡控制目標(biāo)，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(shè)計(jì)的控制器能直接實(shí)現(xiàn)起擺和平衡控制。后者需分別設(shè)計(jì)起擺控制器和平衡控制器，在一定條件下實(shí)現(xiàn)

3、切換以完成控制目標(biāo)。采用部分反饋線性化方法設(shè)計(jì)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(shè)計(jì)了平衡控制器。仿真實(shí)驗(yàn)證明了兩種控制策略的有效性，同時(shí)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(diǎn)，難以應(yīng)用于實(shí)物裝置，而切換控制策略不存在這些問題。故而將應(yīng)用切換控制策略進(jìn)行起擺和平衡控制實(shí)物實(shí)驗(yàn)。
　　本文將Acrobot實(shí)物實(shí)驗(yàn)平臺(tái)分為五個(gè)部分進(jìn)行了闡述。其一是Acrobot機(jī)械本體，將其與國外學(xué)者設(shè)計(jì)的機(jī)械本體進(jìn)行

4、了比較；其二是基于DSP的運(yùn)動(dòng)控制卡設(shè)計(jì)，通過調(diào)試證明其性能比基于ARM7和Rabbit3000的運(yùn)動(dòng)控制卡更優(yōu)越；其三是電機(jī)驅(qū)動(dòng)環(huán)節(jié)，重點(diǎn)介紹了電流環(huán)的實(shí)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(jī)監(jiān)控軟件。采用UKF方法得到實(shí)物系統(tǒng)的辨識參數(shù)，在此基礎(chǔ)上應(yīng)用切換控制策略成功地實(shí)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(dòng)實(shí)驗(yàn)和加長桿實(shí)驗(yàn)表明平衡控制器具有