基于自抗扰的板球系统控制研究

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1、基于自抗扰的板球系统控制研究董振晔2016年1月中图分类号：TP273UDC分类号：621.3基于自抗扰的板球系统控制研究作者姓名董振晔学院名称自动化学院指导教师蔡涛副研究员答辩委员会主席郑万煦研究员申请学位工学硕士学科专业控制科学与工程学位授予单位北京理工大学论文答辩日期2016年1月TheResearchoftheControlSystemoftheBallandPlateSystemUsingActiveDisturbanceRejectionControlCandidateName：ZhenyeDongSchoolorDepartment:AutomationFacu

2、ltyMentor:TaoCaiChair,ThesisCommittee：WanxuZhengDegreeApplied:MasterofEngineeringMajor：ControlScienceandEngineeringDegreeby:BeijingInstituteofTechnologyTheDateofDefence：Janurary,2016研究成果声明本人郑重声明：所提交的学位论文是我本人在指导教师的指导下进行的研究工作获得的研究成果。尽我所知，文中除特别标注和致谢的地方外，学位论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得北京理工大学或其

3、它教育机构的学位或证书所使用过的材料。与我一同工作的合作者对此研究工作所做的任何贡献均已在学位论文中作了明确的说明并表示了谢意。特此申明。签名：日期：摘要板球系统由二维的板和在板上滚动的小球组成，小球在重力的作用下在板上滚动。本文针对搭建的三自由度并联机构板球系统进行分析，开展了基于自抗扰的板球系统的控制研究，并通过仿真和实物验证了控制算法的有效性。首先对小球在板上的运动过程进行了分析，明确了小球在板上滚动的条件，并建立了小球在板上滚动的数学模型。本论文所研究板球系统的执行机构是由三台直线电机构成的三自由度并联机构。本文针对三自由度并联机构的耦合，运用几何关系解耦，确定了动平

4、台上板的姿态与直线电机伸长量之间的关系，由此设计了通过控制直线电机控制板的姿态，进而控制小球的运动的方案。之后对电机及驱动器模型进行分析和辨识，并进一步建立了板球系统的整体模型。然后对板球系统中存在的不确定性扰动、板与球间的摩擦力以及向心力项和耦合项进行了分析，并设计了扩张状态观测器将其作为总扰动的一部分进行估计和补偿，用自抗扰控制器实现小球的轨迹跟踪，并进行了仿真。之后针对采集小球的位置坐标存在的量测噪声，设计一阶低通滤波器，并针对原系统和一阶低通滤波器构成的复合系统设计了含一阶惯性环节的扩张状态观测器；并对含一阶惯性环节的扩张状态观测器进行了频域分析。为了使板的角度在较小

5、的范围内变化，将控制量引入性能指标，设计了线性二次型最优控制器；结合自抗扰控制器可知，带加速度前馈的自抗扰控制器也是线性二次型最优控制器的一种形式。并对板球系统的定点控制和轨迹跟踪控制进行了仿真。最后完成实验平台的搭建、调试和控制软件的编写，并进行定点实验和轨迹跟踪实验，验证了控制算法。针对实验中观测器出现的Peaking现象，进行了理论分析，提出了将扩张状态观测器初始化使其初始状态与实际状态尽量一致的方案，克服了严重的Peaking现象，使控制精度达到了较高的水平。关键词：板球系统；非线性；摩擦力；自抗扰；线性二次最优控制；Peaking现象IAbstractTheball

6、andplatesystemisconstitutedbyatwo-dimensionalplateandaballrollingonit.Theballrollsontheplatebecauseofthegravity.ThispaperfocusesontheBallandPlateSystembasedonthe3-DOFparallelmechanismbuiltinourlaboratoryandanalysisit.Anddosomeresearchontheactivedisturbancerejectioncontrol.Whatismore,somesim

7、ulationsandexperimentsaredonetovalidatethecontroller.First,themovementoftheballontheplateandtherequirementoftheballmovingontheplateareanalyzed.Themodelofthemovementoftheballontheplateisbuilt.Theactuatoroftheballandplatesystemstudiedinthispaperisthe3-DOFp