一类欠驱动机械系统的镇定与跟踪控制研究-赵兴延.pdf
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1、索取号: TP273 密级: 公开 硕 硕 硕 士 士 士 学 学 学 位 位 位 论 论 论 文 文 文 一 一 一类 类 类欠 欠 欠驱 驱 驱动 动 动机 机 机械 械 械系 系 系统 统 统的 的 的镇 镇 镇定 定 定与 与 与跟 跟 跟踪 踪 踪 控 控 控制 制 制研 研 研究 究 究 研 研 研 究 究 究 生 生 生: : : 赵 赵 赵 兴 兴 兴 延 延 延 指 指 指导 导 导教 教 教师 师 师: : : 武 武 武 玉 玉 玉 强 强 强 教 教 教授 授 授 培 培 培养 养 养单 单 单位 位 位: : : 自 自 自动 动 动化 化 化研 研 研究 究 究所
2、所 所 一 一 一级 级 级学 学 学科 科 科: : : 数 数 数 学 学 学 二 二 二级 级 级学 学 学科 科 科: : : 运 运 运筹 筹 筹学 学 学与 与 与控 控 控制 制 制论 论 论 完 完 完成 成 成时 时 时间 间 间: : : 2016 年 年 年 3 月 月 月 24 日 日 日 答 答 答辩 辩 辩时 时 时间 间 间: : : 2016 年 年 年 6 月 月 月 1 日 日 日 _硕 硕 硕 士 士 士 学 学 学 位 位 位 论 论 论 文 文 文 运 运 运 筹 筹 筹 学 学 学 与 与 与 控 控 控 制 制 制 论 论 论 赵 赵 赵 兴 兴
3、兴 延 延 延 曲 曲 曲 阜 阜 阜 师 师 师 范 范 范 大 大 大 学 学 学 _曲 曲 曲阜 阜 阜师 师 师范 范 范大 大 大学 学 学博 博 博士 士 士/ 硕 硕 硕士 士 士学 学 学位 位 位论 论 论文 文 文原 原 原创 创 创性 性 性说 说 说明 明 明 (根据学位论文类型相应地在划“ ” ) 本人郑重声明: 此处所提交的博士 硕士 论文一类欠驱动机械系统的 镇定与跟踪控制研究 是 本 人 在 导 师 指 导 下, 在 曲 阜 师 范 大 学 攻 读 博 士 硕 士 学 位 期 间 独 立 进 行 研 究 工 作 所 取 得 的 成 果. 论 文 中 除 注 明
4、部 分 外 不 包 含 他人 已 经 发 表 或 撰 写 的 研 究 成 果. 对 本 文 的 研 究 工 作 做 出 重 要 贡 献 的 个 人 和 集 体, 均已在文中已明确的方式注明. 本声明的法律结果将完全由本人承担. 作者签名: 日期: 曲 曲 曲阜 阜 阜师 师 师范 范 范大 大 大学 学 学博 博 博士 士 士/ 硕 硕 硕士 士 士学 学 学位 位 位论 论 论文 文 文使 使 使用 用 用授 授 授权 权 权书 书 书 (根据学位论文类型相应地在划“ ” ) 一类欠驱动机械系统的镇定与跟踪控制研究 系 本 人 在 曲 阜 师 范 大 学 攻 读 博 士 硕 士 学 位 期
5、间, 在 导 师 指 导 下 完 成 的 博 士 硕 士 学 位 论 文. 本论 文 的 研 究 成 果 归 曲 阜 师 范 大 学 所 有, 本 论 文 的 研 究 内 容 不 得 以 其 他 单 位 的 名 义 发 表. 本 人 完 全 了 解 曲 阜 师 范 大 学 关 于 保 存 、 使 用 学 位 论 文 的 规 定, 同 意 学 校 保 留 并 向 有 关 部 门 送 交 论 文 的 复 印 件 和 电 子 版 本, 允 许 论 文 被 查 阅 和 借 阅. 本人授权曲阜师范大学, 可以采用影印或其他复制手段保存论文, 可以公开 发表论文的全部或部分内容. 作者签名: 日期: 导师
6、签名: 日期: _摘 要 摘 要 所 谓 欠 驱 动 系 统, 是 指 独 立 的 控 制 输 入 维 数 少 于 系 统 自 由 度 的 一 类 系 统, 其 本 质 为 非 线 性 系 统. 倒 立 摆 系 统 作 为 一 类 典 型 的 欠 驱 动 系 统, 具 有 广 泛 的 物 理 和 工 程 背 景. 许 多 控 制 算 法 在 实 际 系 统 的 验 证 如 控 制 系 统 的 稳 定 性 、 可 控 性 、 系 统 收 敛 速 度 和 系 统 抗 干 扰 能 力 等, 都 可 以 通 过 倒 立 摆 系 统 模 型 来 验 证 并 直 观 的 表 现 出 来, 因 此 倒 立
7、摆 系 统 的 研 究 具 有 重 要 的 理 论 意 义, 尤 其 是 对 推 动 非 线 性 控 制 理 论 的 发 展 具 有 重 大 的 实 际 应 用 价 值. 国 内 外 学 者 通 过 不断努力对其控制方法拓展创新, 至今已获得了许多丰富的研究成果. 本 文 在 已 有 研 究 成 果 的 基 础 上 针 对 倒 立 摆 的 特 殊 形 式 单 级 旋 转 倒 立 摆 、 旋 转 平 行 倒 立 摆进行研究, 主要工作如下: 1. 倒立摆系统的定性分析 旋 转 倒 立 摆 是 倒 立 摆 系 统 的 一 种, 其 特 性 与 控 制 方 法 等 与 其 它 种 类 的 倒 立 摆
8、 具 有 很 大 的 相 似 性, 故 本 部 分 首 先 对 倒 立 摆 系 统 进 行 定 性 分 析, 为 接 下 来 研 究 问 题 的 引 入 奠定基础. 2. 单级旋转倒立摆的抗扰消摆控制 本 部 分 主 要 贡 献 为 在 系 统 带 有 未 建 模 动 态 或 未 知 扰 动 的 情 况 下, 提 出 了 基 于 滑 模 的 无 需 精 确 物 理 参 数 的 自 适 应 控 制 方 法. 该 方 法 摆 脱 了 必 须 获 得 系 统 精 确 模 型 的 依 赖, 使 得 提 出 的 控 制 方 法 更 具 实 用 性 与 可 推 广 性. 首 先 通 过 对 系 统 模 型
9、 引 入 部 分 反 馈 线 性 化 与 非 奇 异 坐 标 变 换, 进 而 导 出 误 差 动 态, 最 终 设 计 非 线 性 积 分 滑 模 控 制 器. 系 统 误 差 动 态 的 收 敛 性 分 析 可 证 明 提 出 的 控 制 律 既 可 使 旋 臂 转 到 目 标 位 置 也 能 够 实 现 摆 杆的竖直控制, 且整个过程中闭环系统信号均有界. 系统仿真验证了控制器的有效性. 3. 旋转平行倒立摆基于能量的稳定控制研究 本 部 分 主 要 贡 献 为 在 旋 转 平 行 倒 立 摆 的 双 摆 具 有 不 同 固 有 属 性 的 条 件 下, 利 用 能 量 控 制 方 法
10、完 成 稳 摆 控 制. 通 过 对 系 统 模 型 施 行 部 分 反 馈 线 性 化, 进 而 分 析 双 摆 的 能 量 函 数 并 利 用 其 构 造 李 亚 普 诺 夫 函 数, 最 终 导 出 控 制 器 达 到 控 制 双 摆 稳 定 的 目 标. 通 过 对 双 摆 的 运 动 分 析, 证 得 从 任 意 初 始 状 态 施 加 所 设 计 的 控 制 器 后 双 摆 能 量 均 可 收 敛 到零. 最后, 系统仿真验证了控制器可使得系统在较短的时间便达到较好的控制效果. 关 关 关键 键 键词 词 词: 倒立摆, 欠驱动系统, 单级旋转倒立摆, 滑模控制, 旋转平行倒立摆,
11、 能量控制 I _Abstract Abstract Underactuatedsystemisakindofsystemwhosecontrolinputdimensionislessthanthedegree of freedom, and its essence is a nonlinear system. Inverted pendulum system, as a kind of typical underactuated system, has a wide range of engineering and physical background.The research of t
12、he inverted pendulum system has important theoretical and practical signicance because of manyvalidationsofcontrolalgorithmsinrealsystems,suchasthestability,controllability,system convergence speed and the ability of anti disturbance of the control system, can be checked and directly displayed by th
13、e inverted pendulum system model. Many domestic and foreign scholars havebeentryinghardtoexpandtheircontrolmethodsbymeansofcontinuouseffortsandobtained alotofresearchresults. According to these theoretical results, this paper focus on the special form of the inverted pendulum Rotary Inverted Pendulu
14、m and Rotary Parallel Inverted Pendulum, specic tasks of thispaperareasfollows: 1. Qualitativeanalysisofinvertedpendulumsystem As a kind of inverted pendulum system, the rotational inverted pendulum has many similar characteristics and control methods with other kinds of inverted pendulum. So in thi
15、s part, in order to lay the foundation for introducing the next research questions, we will carryonthequalitativeanalysistotheinvertedpendulumsystem. 2. Disturbancerejectioncontrolofsinglestagerotaryinvertedpendulum Themaincontributionofthispartisthataadaptivecontrolmethodwhichdoesntneed theaccurate
16、physicalparametersisbeputforward,whenthesystemhasunmodeleddynam- icsorunknowndisturbances. Themethodgetsridofthedependenceontheprecisemodelof the system, so that the proposed control method is more practical and worthy to be spread. By introducing partial feedback linearization and nonsingular coord
17、inate transformation to the system model, the error dynamics are derived. And then, this paper designs a nonlin- ear integral sliding mode controller.According to the convergence analysis of system error dynamics, it is proved that the method can not only make the swing rod to reach and stable no th
18、e target position, but also can make the arm to return to the initial state. Meanwhile, theclosed-loopsystemsignalsareboundedinthewholeprocess. Thesimulationresultsare presentedshowingeffectiveandfeasibleoftheproposedmethods. 3. Energy-basedswingupcontrolofrotaryparallelinvertedpendulum Themaincontr
19、ibutionofthispartiswhenthedoublependulumofrotaryparallelinvert- ed pendulum has different inherent properties, this paper use the energy method to design II _Abstract the controller. In order to design the controller so that the rotation parallel double pendu- lum reaching and stabilizing in the ver
20、tical direction, this paper implement partial feedback linearizationtothesystemmodelrstly.Thenweusetheenergyfunctionofthedoublepen- dulumtoconstructtheLyapunovfunction.Inaddition,thedesignedcontrollertakesasimpler structure and therefore is convenient for implementing and calibrating control paramet
21、ers. By analyzing the motion of the double pendulum, it is proved that no matter from which initial state both energy of them converge to zero. Finally, the result of simulation shows thatthecontrollercanmakethesystemtoachievebettercontroleffectinashorttime. Key words: inverted pendulum, underactuat
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