欠驱动系统的非线性控制研究

发布时间：2017-10-08 10:01

  本文关键词：欠驱动系统的非线性控制研究

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【摘要】：欠驱动系统是一类特殊而又重要的力学系统,是目前自动控制研究的一个前沿方向.非完整系统作为一类运动受限的欠驱动系统,其研究具有重要的理论价值和实际意义.倒立摆作为另一类典型的欠驱动系统,具有广泛的工程和物理背景.本文针对欠驱动系统的两种形式,在相关背景知识和现有研究成果的基础上,展开欠驱动系统的非线性控制研究.文章主要工作包括以下三部分:1)一般非完整动力学系统的有限时间控制.在虚拟控制系数和系统参数未知的情形下,针对一类非常一般的非完整动力学系统,给出了有限时间镇定控制方案.有限时间收敛控制律的设计应用了最小膨胀度的坐标变换和终端滑模的技术.根据系统能否转化成线性时不变系统,提出了两种控制策略以保证系统的状态在有限时间收敛到零.简化的气垫船系统的镇定问题和轮式移动机器人的停车问题的仿真实验说明了该控制方法的有效性和实际应用性.2)车轨长度受限的并行双摆能量控制.采用牛顿-欧拉方法建立了并行二级倒立双摆系统的数学模型.将能量控制方法应用于并行二级倒立摆系统上,基于一个能量形式的李雅普诺夫函数设计单一控制器.控制摆杆在达到垂直向上的位置时使摆杆的能量为零,通过控制摆杆能量来实现并行双摆的起稳摆控制.由于车摆系统小车位移受轨道长度限制,又考虑了小车位移的控制问题.所设计的控制器同时使小车的速度收敛到零,满足了车轨长度有限这一实际要求.控制器结构简单便于调参,收敛性能好.通过计算机仿真验证了所提出的控制策略的良好性能.3)平面倒立摆的自适应跟踪与镇定控制.首先采用拉格朗日方程建立了平面倒立摆的精确数学模型.然后,针对平面倒立摆动力学系统的欠驱动特性,结合系统的能量设计了自适应跟踪控制器,实现了基座小车的圆周轨迹跟踪与摆杆镇定.相比于其他方法设计的控制器,它不需要对实际摆系统进行任何的近似解耦和小邻域内的线性化处理.在系统存在未知机械摩擦和空气阻力的影响,同时基座轨道与小车质量以及摆杆长度存在测量误差干扰时,设计自适应跟踪控制器,证明了闭环系统的稳定性.根据变化的系统参数和不同的初态进行仿真实验,数据仿真结果验证了控制算法的有效性.
【关键词】：欠驱动系统 非完整动力学模型 有限时间镇定 并行双摆 能量控制 平面摆 自适应跟踪控制
【学位授予单位】：曲阜师范大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：O231
【目录】：

• 摘要3-4
• Abstract4-8
• 符号说明8-9
• 第1章 绪论9-13
• 1.1 研究背景及意义9-10
• 1.2 非完整系统的研究现状10-11
• 1.3 倒立摆系统的研究现状11
• 1.4 本文要解决的问题11-13
• 第2章 一般非完整动力学系统的有限时间控制13-36
• 2.1 引言13-14
• 2.2 问题描述与预备知识14-16
• 2.3 有限时间镇定控制器设计16-28
• 2.3.1 控制器u116-18
• 2.3.2 控制器u218-28
• 2.3.3 主要结果28
• 2.4 控制系统的实际应用28-35
• 2.4.1 带有虚拟控制方向的轮式移动机器人的停车问题29-32
• 2.4.2 气垫船系统模型的控制设计32-35
• 2.5 本章小结35-36
• 第3章 车轨长度受限的并行双摆能量控制36-49
• 3.1 引言36-37
• 3.2 系统分析建模与预备知识37-39
• 3.3 基于能量的控制器设计与分析39-43
• 3.3.1 控制器设计及收敛性分析39-42
• 3.3.2 双摆的运动分析42-43
• 3.4 三级车摆的推广应用43-46
• 3.5 仿真验证46-47
• 3.6 本章小结47-49
• 第4章 平面倒立摆的自适应跟踪与镇定控制49-63
• 4.1 引言49-50
• 4.2 平面倒立摆的分析建模50-52
• 4.3 平面倒立摆的自适应跟踪控制器设计52-59
• 4.3.1 自适应跟踪控制器设计52-54
• 4.3.2 平面摆系统的稳定性分析54-59
• 4.4 仿真实验59-61
• 4.5 本章小结61-63
• 第5章 总结与展望63-64
• 参考文献64-71
• 致谢71

【参考文献】

中国期刊全文数据库 前5条

1 李洪兴,苗志宏,王加银,李洪兴,李洪兴;四级倒立摆的变论域自适应模糊控制[J];中国科学E辑:技术科学;2002年01期

2 井上昭,邓明聪,逸见知弘,植木信幸,平]嬔笠，

本文编号：993378