acrobot系统动态伺服控制的研究

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1、工学硕士学位论文Acrobot系统动态伺服控制研究程红太哈尔滨工业大学2008年6月国内图书分类号：TP213.5国际图书分类号：621.875.5工学硕士学位论文Acrobot系统动态伺服控制研究硕士研究生：程红太导师：张晓华教授申请学位：工学硕士学科、专业：电力电子与电力传动所在单位：电气工程及其自动化答辩日期：2008年6月授予学位单位：哈尔滨工业大学ClassifiedIndex:TP213.5U.D.C.:621.875.5DissertationfortheMasterDegreeinEngineer

2、ingStudyoftheDynamicalServoControlProblemfortheAcrobotCandidate:ChengHongtaiSupervisor:Prof.ZhangXiaohuaAcademicDegreeAppliedfor:MasterofEngineeringSpecialty:PowerElectronicsandElectricalDriveAffiliation:Dept.ofElectricalEngineeringandAutomationDateofDefence:

3、June,2008Degree-Conferring-Institution:HarbinInstituteofTechnology哈尔滨工业大学工学硕士学位论文摘要伴随着太空，航海等应用中一系列问题的出现，欠驱动系统成为控制理论的研究热点之一。欠驱动系统是一种特殊的非线性系统，它的特点是驱动数目少于系统自由度数目，适合于对质量和能源敏感的领域，因此对欠驱动系统控制问题的研究具有重要意义。本文以Acrobot这一基准欠驱动机械系统为对象，研究了它的动态伺服控制问题。它使得系统可以用部分的执行器来近似完成全驱动任

4、务，这可以增加系统的可靠性和灵活性，对这类问题的研究有助于扩展欠驱动系统的应用领域。本文首先采用拉格朗日方程建立了Acrobot的动力学模型，并在Simulink中搭建了系统的仿真模型，基于“必要条件法”从定性和定量的角度对模型进行了验证。给出了动态伺服的数学定义，并根据动态伺服的控制目标，通过与单摆运动规律的比较，找到了一个特殊的周期轨道，将动态伺服控制问题转化成为对系统机械能和摆杆摆角的镇定问题。然后，基于Lyapunov稳定性理论及部分反馈线性化方法，本文给出了三种控制方案来实现单一输入控制双输出，分别为

5、单闭环方案、积分型双环方案和近似微分型双环方案。数字仿真实验结果证明了所提控制算法的有效性。接着，本文研制了一套Acrobot实物装置，共包括三个部分：机械本体，电气平台和控制软件。针对系统的理论结构，设计了同步带传动的实现方式，将电机置于两杆根部，稳定可靠；电气平台中设计了两套并行控制装置：PLC和嵌入式系统，本文采用PC+嵌入式系统方案，两者之间通过RS232接口通信。嵌入式系统实现电机驱动控制功能，PC实现人机交互和运动控制功能。最后，通过UKF（UnscentedKalmanFilter）算法来进行实物

6、参数辨识，经过验证，所得到的参数比较精确。接着编制程序实现所提出的控制算法，进行了一系列实物实验，实验结果表明，在实物系统中，所提出的控制算法同样有效，并且具有一定的鲁棒性。关键词欠驱动；Acrobot；动态伺服控制；Lyapunov稳定性理论；UKFI哈尔滨工业大学工学硕士学位论文AbstractAccompaniedbysomeproblemsexistinginapplicationssuchasspace,surfaceship,underactuatedsystembecomesoneofthehot

7、spot.Underactuatedsystemwhichhasfewerdriveninputsthandegreeoffreedomisaspecialkindofnonlinearsystems,andissuitableforareaswhicharesensitivetoqualityandenergy,socontroloftheunderactuatedsystemisofgreatsignificance.TheAcrobot,whichisabenchmarkofunderactuatedmec

8、hanicalsystem,istakenastheresearchtargetandthedynamicalservocontrolproblemofitisstud-ied.Thisproblemaimstorealizeaccessibilityofthewholeconfigurationspace.Itismeaningfulespeciallyforsystemswhichh