二級(jí)倒立擺平衡點(diǎn)間任意轉(zhuǎn)換的運(yùn)動(dòng)控制方法研究.pdf

1、倒立擺是一種典型的非線性、欠驅(qū)動(dòng)、多變量、強(qiáng)耦合的多剛體連桿結(jié)構(gòu)機(jī)械裝置，其驅(qū)動(dòng)個(gè)數(shù)少于自由度，依賴于關(guān)節(jié)的耦合作用實(shí)現(xiàn)對(duì)非驅(qū)動(dòng)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(dòng)、魯棒性等控制中的典型問題，是檢驗(yàn)控制理論與控制方法的首選平臺(tái)，被稱為“控制領(lǐng)域的明珠”和“控制理論的試金石”。在現(xiàn)實(shí)生活中，雙足步行機(jī)器人、欠驅(qū)動(dòng)機(jī)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(jī)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(gè)平衡點(diǎn)，N級(jí)倒立擺有2N個(gè)平衡點(diǎn)，其中僅懸垂位置為自然平衡點(diǎn)，其余皆為需要控制才能保持平衡的臨界平衡點(diǎn)。大多數(shù)研究集中在平衡點(diǎn)附近的穩(wěn)定控制，以及從懸垂點(diǎn)到倒立點(diǎn)的擺起控制；對(duì)于擺桿平衡點(diǎn)之間大范圍內(nèi)的任意轉(zhuǎn)換運(yùn)動(dòng)控制則鮮有涉及。倒立擺平衡點(diǎn)間的大范圍非線性運(yùn)動(dòng)，不僅需要對(duì)擺桿的角度進(jìn)行精確控制，還需要頻繁調(diào)整擺桿間的相對(duì)姿態(tài)、擺桿的動(dòng)能與勢能，這些目標(biāo)都

3、只能通過單個(gè)控制輸入來實(shí)現(xiàn)，控制難度極大。本文針對(duì)二級(jí)倒立擺四個(gè)平衡點(diǎn)間任意轉(zhuǎn)換的大范圍非線性欠驅(qū)動(dòng)控制問題，展開了類等效建模與非線性動(dòng)力學(xué)分析、控制方法與控制器設(shè)計(jì)、未建模動(dòng)態(tài)抑制等方面的研究工作，主要內(nèi)容如下：
　　①針對(duì)倒立擺動(dòng)力學(xué)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(dòng)力學(xué)分析方法。該方法首先建立起倒立擺的類等效動(dòng)力學(xué)模型，針對(duì)被動(dòng)關(guān)節(jié)進(jìn)行動(dòng)力學(xué)解耦，推導(dǎo)出被動(dòng)關(guān)節(jié)的二階非完整約束角加速度表達(dá)式，

4、分離出擺桿的控制作用強(qiáng)度函數(shù)、重力作用強(qiáng)度函數(shù)、轉(zhuǎn)動(dòng)摩擦作用強(qiáng)度函數(shù)、以及旋轉(zhuǎn)離心力作用強(qiáng)度函數(shù)。深入分析了擺桿空間位姿與擺桿控制作用強(qiáng)度之間的量化關(guān)系，以及動(dòng)力學(xué)參數(shù)與擺桿控制作用強(qiáng)度的量化關(guān)系，為控制器設(shè)計(jì)與機(jī)械系統(tǒng)設(shè)計(jì)提供借鑒與參考。
　?、卺槍?duì)基于動(dòng)覺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(dòng)覺智能圖式作為SMIS-

5、HSIC系統(tǒng)的基本組成單元，實(shí)現(xiàn)了低階動(dòng)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(jìn)SMIS-HSIC方法，結(jié)合非線性控制特性分析與先驗(yàn)知識(shí)，率先實(shí)現(xiàn)了二級(jí)倒立擺平衡點(diǎn)間任意轉(zhuǎn)換運(yùn)動(dòng)控制。
　　③針對(duì)實(shí)際系統(tǒng)中未建模動(dòng)態(tài)導(dǎo)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(dòng)態(tài)抑制方法，其中在線部分采用實(shí)時(shí)特征識(shí)別與基于增益調(diào)度算法的補(bǔ)償控制相結(jié)合的方法，實(shí)現(xiàn)