基于线性矩阵不等式的acrobot鲁棒镇定控制

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1、基于线性矩阵不等式的Acrobot鲁棒镇定控制　　摘要：针对欠驱动机器人Acrobot，提出一种基于线性矩阵不等式的鲁棒镇定控制方法。通过将Acrobot在垂直向上不稳定平衡点附近的第一杆角速度看作一种不确定性，得到Acrobot的不确定模型，在此基础上设计一种基于线性矩阵不等式的鲁棒镇定状态反馈控制律，实现Acrobot较大范围的平衡控制。仿真和对比结果验证了方法的有效性和优越性。　　关键词：Acrobot；平衡控制；鲁棒控制；线性矩阵不等式　　中图分类号：TP24文献标识码：A　　Abstract：Arob

2、uststabilizationcontrolapproachwasproposedforanunderactuatedrobotcalledacrobotbasedonlinearmatrixinequality（LMI）.Anuncertainmodelofacrobotwasfirstobtainedbytreatingthevelocityofthefirstlinkaroundtheuprightequilibriumasanuncertainty.Andthenarobuststabilizings

3、tatefeedbackcontrollawwasdesignedbasedonLMItechnique，whichachievesalargebalancingregion.Simulationandcomparisonresultsdemonstratetheeffectivenessandadvantagesoftheproposedapproach.　　Keywords：acrobot；balancingcontrol；robustcontrol；LMI　　1引言6　　Acrobot是一种在垂直平面上运

4、动的欠驱动两连杆机器人[1]。这种机器人由于在肘部关节减少了驱动装置，使得系统在重量、成本及能耗等方面具有很大的优势；同时驱动装置的减少也使得机器人的动力学模型受到二阶的非完整条件约束，因此要对其进行控制设计具有很大的难度[2，3]。　　近十年来，为实现Acrobot在垂直向上平衡点处的稳定控制目标，学者们进行了深入研究，提出了多种控制方法。文献[4]提出了一种基于IDA-PBC方法；文献[5]提出了一种基于倒转思想的控制设计方法；文献[6]通过模型变换提出了一种基于等价输入干扰的控制方法；文献[7]也利用模型

5、变换提出了一种反步控制设计方法；文献[8]考虑外部干扰，提出了一种滑模控制方法。这些方法虽然都采用单一的控制器实现了Acrobot的稳定控制，但是动态控制性能并不理想，所需控制力矩非常大，难以用于工程实际。　　分区的控制策略可以提高Acrobot的控制效果，并在理论上保证控制系统的稳定性[9]。它将机器人的运动空间划分为摇起区和平衡区，然后针对这两个区间分别设计不同的控制器，中间通过切换策略来实现控制器的转换。基于这种思想，文献[9]考虑系统能量和机器人的姿态设计了摇起控制器；并在平衡区，利用Acrobot在平

6、衡点处的线性化模型设计了线性二次调节控制器（LQR），获得了较为满意的控制效果。然而LQR依赖于机器人在平衡点处的线性化模型，而且为了保证其鲁棒性，切换策略的设计须使机器人的状态严格地满足线性化的要求，因此LQR平衡控制范围非常小，难以保证每次捕获都能将其稳定住。　　本文在文献[9]的基础上提出一种基于线性矩阵不等式（LinearMatrixInequality，6LMI）的鲁棒镇定控制设计方法，旨在提高Acrobot的控制性能，实现较大范围的平衡控制。首先将Acrobot在垂直向上平衡点附近的第一连杆角速度看

7、一种不确定性，得到Acrobot的不确定线性化模型；然后基于LMI推导使系统实现二次镇定的鲁棒状态反馈控制律存在性条件，通过求解该条件得到鲁棒镇定平衡控制器。最后通过仿真实例来验证方法的有效性和优越性。　　2Acrobot的控制问题　　Acrobot的模型结构如图1所示。其中，mi（i=1，2）表示第i杆的质量，li是第i杆的长度，lci代表从i关节到i杆质心的距离，Ii表示为第i杆相对于质心的惯性，q1表示第一杆相对于垂直向上y轴的角度，q2表示第二杆相对第一杆的角度，τ2是作用在第二连杆上的控制力，g为重力

8、加速度。　　将控制器（5）和（15）作用于Acrobot的控制中，并在切换策略中定义平衡区范围为π/3，仿真结果如图3所示。其中，图3（a）是第一杆的角度变化曲线，图3（b）是第二杆的角度变化曲线，图3（c）是控制力矩，图3（d）是能量变化曲线。从图中可以看到，控制器在t=5.77s时发生切换，相比于文献[9]的t=7.66s提前了1.89s。虽然平衡控制较早地进行了切换，但是平衡控制