虚拟未建模动态驱动的一类欠驱动机械臂的平衡控制方法

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1、万方数据分类号UDC密级学位论文虚拟未建模动态驱动的一类欠驱动机械臂的平衡控制方法作者姓名：指导教师：申请学位级别：学科专业名称：论文提交日期：学位授予日期：评阅人：崔文娟柴天佑教授东北大学流程工业综合自动化国家重点实验室硕士学科类别：工学控制理论与控制工程2014年6月论文答辩日期：2014年6月2014年7月答辩委员会主席：胡静涛，富月、胡静涛东北大学2014年6月万方数据AThesisinControlTheoryandControlEngineeringBalanceC0ntrolforaClassofUnd

2、eractuatedMechanicalSystemSDriVenbyVirtualun-modeledDynamics’嗍籼哪m4洲叭炒必0岬Y2995481ByWrenjuanCuiSupervisor：ProfessorTi锄youChaiNortheasternUniversi锣June2014万方数据独创性声明本人声明，所呈交的学位论文是在导师的指导下完成的。论文中取得的研究成果除加以标注和致谢的地方外，不包含其他人己经发表或撰写过的研究成果，也不包括本人为获得其他学位而使用过的材料。与我一同工作的同志对本

3、研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示谢二6二思。学位论文作者签名：崔女妇日期：汐，仵多月猸学位论文版权使用授权书本学位论文作者和指导教师完全了解东北大学有关保留、使用学位论文的规定：即学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅。本人同意东北大学可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索、交流。作者和导师同意网上交流的时间为作者获得学位后：半年口一年口一年半口两年一学位论文作者签名：雀々朔导师签名：；签字日期：力，牛年／月法日签字日期：洲中年f月店日万方数据-

4、II·万方数据东北大学硕士学位论文摘要虚拟未建模动态驱动的一类欠驱动机械臂的平衡控制方法摘要Pendubot作为典型的欠驱动机械系统，是一种两关节的平面欠驱动机器人，具有单输入两输出的特殊结构。欠驱动机械臂具有执行机构少、重量轻、成本低的优点，使其在航空航天、空间机器人领域的应用非常广泛，具有很高的工业应用价值。此外，欠驱动机械臂的高阶非线性特性，使得常规的线性控制器难以取得理想的控制效果，其独特的欠驱动特性，使得多变量解耦控制方法不再适用，一般的光滑非线性方法也无法满足控制要求，具有很重要的理论研究价值。Pendu

5、bot的控制不同于传统的直线摆和旋转摆，其线性化模型在各个工作点是不同的，具有更大的控制难度。Pendubot的控制算法研究主要有起摆控制、平衡控制和轨迹跟踪，本文主要研究平衡控制，现有平衡控制方法主要存在以下几个问题：(1)控制器设计时没有考虑摩擦力的影响，系统输出存在稳态误差；(2)部分线性控制器基于精确的动力学模型，系统模型参数发生变化时，控制效果差；(3)部分非线性智能控制算法较为复杂，难以从理论上保证系统的稳定性，且仅停留在仿真阶段。针对上述问题，本文依托东北大学“985"工程流程工业综合自动化国家重点实验

6、室科技创新平台，提出了虚拟未建模动态驱动的PD平衡控制策略，取得的主要成果如下：(1)结合PD控制器在工业应用中的优势，为消除系统存在的强非线性特性、摩擦力、重力和各种不确定因素的影响，采用前一拍和增量估计算法对虚拟未建模动态进行估计，设计了虚拟未建模动态驱动的PD控制器，并进行了稳定性分析。(2)当Pendubot系统的控制目标设定为最高不稳定平衡点时，系统主要受摩擦力影响，采用前一拍设计虚拟未建模动态补偿器，能够很好地补偿系统的稳态误差，但当采用前一拍和增量估计算法进行虚拟未建模动态补偿器的设计时，能够更进一步的

7、提高系统的稳态精度。(3)当Pendubot系统的控制目标设定为非平衡位置时，系统主要受摩擦力和重力的影响，而且由于重力的影响，使得系统的摩擦力特性变得更加复杂，前一拍进行虚拟未建模动态补偿器的设计，无法很好地消除稳态误差，本文采用前一拍和增量估计算法进行虚拟未建模动态补偿器的设计，扩大了摆臂吸引域，减小了稳态误差。-TTT—万方数据东北大学硕士学位论文摘要(4)针对Pendubot物理系统，开展了所提控制方法的仿真实验和物理实验研究。当Pendubot的控制目标为最高不稳定平衡位置时，实验结果表明，与线性二次型调节

8、器(LQR)和求解状态相关的黜ccati方程(SDRE)的方法相比，本文所提控制算法扩大了摆臂的吸引域范围，减小了稳态误差，具有较强的鲁棒性；当Pendubot的控制目标为非平衡位置时，实验结果表明，采用前一拍和增量估计算法进行虚拟未建模补偿器的设计，更加显著的提高了系统的性能。关键词：欠驱动机械臂；PD控制器；增量估计；虚拟未建模动态．IV．