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（Unscented Kalman Filter）算法来进行实物参数辨识,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。