非完整系统若干控制问题的研究

论文题目: 非完整系统若干控制问题的研究

论文类型: 博士论文

论文专业: 控制理论与控制工程

作者: 李胜

导师: 胡维礼

关键词: 非完整系统,运动规划,镇定控制,轨迹跟踪,轮式机器人

文献来源: 南京理工大学

发表年度: 2005

论文摘要: 非完整约束广泛存在于轮式移动机器人、柔性机械手、人造卫星、航天飞机等系统中。非完整约束的存在使得这些系统更加难以控制，但是其可控性的特点又使得对其控制问题的研究和工程实现更具挑战性。因此，对非完整系统的控制问题的研究具有重要的理论意义和广阔的应用前景。 本文针对运动规划、镇定和轨迹跟踪三方面的问题，对非完整系统的控制作了较广泛和深入的研究，主要内容有： 1．以非完整链式系统为对象，研究了运动规划问题。首先提出了一种基于Bang-Bang控制的切换策略设计方法，利用此方法得到的切换策略能在有限的时间内，经过控制输入的有限次切换，使得非完整单链系统从有界的初始状态运动到终止状态。然后，针对传统Bang-Bang控制下，控制输入的剧烈变化对系统造成的不利影响，又提出了一种柔化Bang-Bang控制设计方法，这种方法减小了Bang-Bang控制输入的变化幅度。最后将柔化Bang-Bang控制的设计方法推广到非完整多链系统，实现了非完整多链系统的运动规划。 2．以非完整链式系统和一类不能化为链式标准型的非完整系统为对象，研究了镇定控制问题。首先针对非完整单链系统提出了一种基于不变流形，迭代求解控制律的方法，利用此方法设计了非连续时不变反馈控制律，同时得到了在该控制律作用下，n维非完整单链系统各状态的解析解。然后将此方法扩展到带有m+1个输入的m链非完整系统，解决了此类系统的局部反馈镇定问题。最后针对一类不能化为链式标准型的非完整系统，提出了非连续时不变反馈控制律和时变连续反馈控制律，分别实现了其局部和全局的反馈镇定控制，并针对系统中参数不确定的情况，设计了两种自适应反馈控制律，即自适应非连续时不变控制律和自适应连续时变控制律，实现了此类系统存在不确定参数时的反馈镇定控制。 3．以两类轮式机器人为对象，研究了非完整系统的轨迹跟踪控制问题。首先通过对一类几何中心与轮轴中心不重合的移动机器人跟踪控制的研究，应用Lyapunov直接法和Barbalat引理证明了其全局渐近跟踪控制律的存在性，并构造出轨迹跟踪控制律，用此跟踪控制律实现了目标输入定常和时变时，对同结构目标机器人的全局渐近跟踪。然后通过对四轮移动机器人的跟踪控制的研究，应用Backstepping方法和Lyapunov理论证明了此类系统渐近跟踪控制律的存在性，并导出了反馈跟踪控制律。最后通过仿真实验验证了所设计的反馈跟踪控制律的控制性能。 4．通过对一个实际轮式移动机器人系统的控制，验证了以上提出的几种控制方法的控制性能，通过实验结果，分析了所提方法在鲁棒性等方面的不足。提出了一些改

论文目录:

摘要

ABSTRACT

目录

1 引言

1.1 非完整系统的起源及研究近况

1.1.1 非完整系统模型的建立和变换

1.1.2 非完整系统的运动规划问题

1.1.3 非完整系统的镇定控制问题

1.1.4 非完整系统的跟踪控制问题

1.1.5 非完整系统的优化控制问题

1.2 本文的主要内容及安排

2 基础知识

2.1 若干基础概念

2.2 非完整系统模型的建立

2.3 主要引理

3 非完整系统的运动规划

3.1 问题描述

3.2 基于Bang-Bang控制思想的切换控制策略的设计

3.2.1 设计方法

3.2.2 仿真示例

3.3 柔化Bang-Bang控制律的设计

3.3.1 设计方法

3.3.2 仿真示例

3.4 柔化Bang-Bang控制在多链系统运动规划中的应用

3.4.1 算法扩展

3.4.2 仿真示例

3.5 本章小结

4 非完整系统的反馈镇定

4.1 问题描述

4.2 基于不变流形的镇定控制律设计方法

4.2.1 不变流形的定义及其性质

4.2.2 非完整单链系统的不变流形

4.2.3 基于不变流形的控制律设计方法

4.2.4 带有m+1个输入的m链系统反馈镇定控制律设计

4.3 一类不确定非完整机器人系统的自适应控制

4.3.1 问题描述

4.3.2 非连续时不变反馈控制律的设计

4.3.3 非连续时不变反馈镇定控制律的仿真研究

4.3.4 连续时变反馈控制律的设计

4.3.5 连续时变反馈镇定控制律的仿真研究

4.4 本章小结

5 非完整系统的轨迹跟踪控制

5.1 一类非完整移动机器人全局轨迹跟踪控制

5.1.1 问题描述

5.1.2 控制器设计

5.1.3 仿真实验

5.2 基于Backstepping方法的四轮移动机器人轨迹跟踪控制

5.2.1 问题描述

5.2.2 Backstepping方法简介

5.2.3 控制器设计

5.2.4 仿真实验

5.3 本章小结

6 轮式移动机器人系统的实验研究

6.1 轮式移动机器人系统概述

6.1.1 系统组成

6.1.2 系统结构与工作原理

6.1.3 受控机器人工作原理及功能框图

6.1.4 受控机器人的运动学模型

6.2 实验结果

6.2.1 非连续时不变镇定控制

6.2.2 连续时变镇定控制

6.2.3 跟踪控制

6.2.3.1 直线跟踪

6.2.3.2 圆周跟踪

6.3 结果分析

7 总结与展望

致谢

作者在攻读博士期间完成的论文

参考文献

发布时间: 2006-12-06

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