欠驱动机械系统的运动控制

摘 要：在非线性控制研究领域中,欠驱动机械系统的运动控制是重要的研究项目.作为控制输入数低于机械系统状态位数的系统,由于其运行灵活,且能够降低能量消耗,而且投入成本较低而受到普遍重视.本论文主要运用了拉格朗日动力学原理,将欠驱动数学模型建立起来.通过分析系统参数研究控制策略,提出基于能量的欠驱动机械系统运动控制平衡器.

关 键 词：欠驱动；机械系统；运动控制

欠驱动机械系统（英文全称：underactuatedmechanicalsystems）主要研究的是处于非完整多体系动力学控制问题.在动力学研究领域中,非完整系统作为速度约束系统,是不可积的,而欠驱动飞完整系统则是广义的非完整系统,广义坐标的维数超过了控制输入维数的数量.欠驱动机械系统具有完全驱动机械系统所不具备的优势,主要体现在控制输入数比系统状态变量的个数要低,但是会由于驱动的减少而降低系统的总质量和能源消耗,同时还能够完成完全驱动的各项任务.

一、欠驱动机械系统的动力学模型

本论文采用拉格朗日动力学研究方法,建立陀螺摆动力学模型.

(一)陀螺摆动力学模型

陀螺摆动力学模型主要分为两个部分,即机械臂和电机驱动下的圆盘.陀螺摆系统结构见图1.

采用这种控制设计,可以使模糊摇起控制器在短时间内达到控制目标.当系统处于摇起的平衡区域内的时候,能量持续增长,并满足了大于零的需求.但是,由于结构设计简单,当第一杆摇起的时候,处于竖直位置,第二杆如果出现不同的状态,就会导致切换的转矩扩大,从而导致摆动角度快速变化,不够稳定.

结语：

综上所述,欠驱动系统的研究中,主要研究陀螺摆系统和机械臂Pendubot系统的平衡控制.但是,由于两种设计结构都具有非线性特征,因此导致控制适应性较差,无法到达理想的控制效果.本论文通过建立陀螺摆和Pendubol系统的动力学模型,基于能量模糊控制,建立Pendubot系统摇起控制方法,并设计LQR方法的控制策略,实现了摇起与平衡感控制的平稳过渡.