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acrobot动态伺服控制及其对称虚约束方法研究

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自动化学报 2010年第11期36卷 1594-1600页

作者：程红太赵旖旎张晓华哈尔滨工业大学电气工程及自动化学院哈尔滨150001

研究了acrobot这一垂直平面欠驱动机械臂的动态伺服控制问题.该问题期望驱动acrobot到达构形空间中任意目标位置.由于acrobot不能稳定在除平衡点外的位置,因此考虑将系统镇定到经过目标点的周期轨道上.利用虚约束来描述这样的轨道,进而... 详细信息

研究了acrobot这一垂直平面欠驱动机械臂的动态伺服控制问题.该问题期望驱动acrobot到达构形空间中任意目标位置.由于acrobot不能稳定在除平衡点外的位置,因此考虑将系统镇定到经过目标点的周期轨道上.利用虚约束来描述这样的轨道,进而给出了在所选虚约束作用下系统的零动态和积分曲线.接着设计了级联形式的控制器,内环控制器基于改进的反馈线性化方法,引入了一个使内环呈现二阶系统特性的虚拟输入,在该虚拟输入的基础上,设计了基于Lyapunov稳定性理论的外环控制器.最后通过数字仿真证明所提出的方法合理有效,并且获得比基于能量的动态伺服方法更优的结果.

关键词： acrobot 欠驱动动态伺服控制虚约束 Lyapunov稳定性理论

Controller design for 2-DOF underactuated mechanical systems based on controlled Lagrangians and application to acrobot control

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Frontiers of Electrical and Electronic Engineering in China 2009年第4期4卷 417-439页

作者： Maoqing LI The Seventh Research Division Beihang UniversityBeijing 100191China

On the basis of controlled Lagrangians,a controller design is proposed for underactuated mechanical systems with two degrees of freedom.A new kinetic energy equation(K-equation)independent of the gyroscopic forces is found due to the use of their *** a result,the necessary and sufficient matching condition comprises the new K-equation and the potential energy equation(P-equation)cascaded,the regular condition,and the explicit gyroscopic ***,for two classes of input decoupled systems that cover the main benchmark examples,the new K-equation,respectively,degenerates from a quasilinear partial differential equation(PDE)into an ordinary differential equation(ODE)under some choice and into a homogeneous linear PDE with two kinds of explicit general *** from one of the general solutions,the obtained smooth state feedback controller for the acrobots is of a more general ***,a constant fixed in a related paper by the system parameters is converted into a controller parameter ranging over an open interval along with some new nonlinear terms *** what is mentioned in the related paper,some categories of the acrobots cannot be stabilized with the existing interconnection and damping assignment passivity based control(IDA-PBC)*** a contribution,the system can be locally asymptotically stabilized by the selection of the new controller parameter except for only one special case.

关键词： underactuated mechanical systems controlled Lagrangians(CL)method gyroscopic forces matching condition stabilization acrobot

acrobot基于能量的摇起控制算法与运动特性分析

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吉林大学学报（工学版） 2009年第2期39卷 467-472页

作者：田彦涛宋彦张佩杰吉林大学通信工程学院长春130022

针对acrobot等一类二连杆欠驱动系统提出了一种基于能量增加的摇起控制算法。该控制算法从保证系统能量增加的角度出发实现系统的摇起控制。对在该算法下系统摇起过程的动力学和运动学进行了详细分析,并讨论了当系统控制输入参数改变时... 详细信息

针对acrobot等一类二连杆欠驱动系统提出了一种基于能量增加的摇起控制算法。该控制算法从保证系统能量增加的角度出发实现系统的摇起控制。对在该算法下系统摇起过程的动力学和运动学进行了详细分析,并讨论了当系统控制输入参数改变时产生的复杂的动力学和运动学行为,通过以上分析得出了系统运动学和动力学的一般结论。

关键词：自动控制技术 acrobot 基于能量的控制摇起欠驱动系统

基于虚约束的acrobot动态伺服控制统一设计方法

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控制与决策 2012年第6期27卷 923-928页

作者：程红太张晓华哈尔滨工业大学电气工程及自动化学院哈尔滨150001

提出一种基于虚约束的统一设计方法,以解决acrobot系统中动态伺服控制问题,使系统沿着经过目标点的周期轨迹运动.将虚约束设计、虚约束作用下系统零动态微分方程分析以及轨道周期性判定相结合,获得了符合目标的周期轨道方程;基于Lyapuno... 详细信息

提出一种基于虚约束的统一设计方法,以解决acrobot系统中动态伺服控制问题,使系统沿着经过目标点的周期轨迹运动.将虚约束设计、虚约束作用下系统零动态微分方程分析以及轨道周期性判定相结合,获得了符合目标的周期轨道方程;基于Lyapunov方法设计了光滑反馈控制器,克服了基于线性二次型调节器(LQR)的控制器对零动态微分方程解析解的依赖性问题.实际算例的仿真结果表明了统一设计方法的有效性.

关键词：虚约束 acrobot 统一设计方法动态伺服控制 Lyapunov方法

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基于能量的acrobot动态伺服控制

控制与决策 2008年第11期23卷 1258-1262页

作者：张晓华程红太赵旖旎哈尔滨工业大学电气工程及自动化学院哈尔滨150001

研究了acrobot垂直平面欠驱动机械臂的动态伺服控制问题.动态伺服控制不同于定点控制和轨迹跟踪控制,而是利用欠驱动系统中存在的周期轨道特性,实现对轨迹的动态跟踪.首先通过对比单摆运动规律寻找到周期轨道所满足的条件;然后利用Lyapu... 详细信息

研究了acrobot垂直平面欠驱动机械臂的动态伺服控制问题.动态伺服控制不同于定点控制和轨迹跟踪控制,而是利用欠驱动系统中存在的周期轨道特性,实现对轨迹的动态跟踪.首先通过对比单摆运动规律寻找到周期轨道所满足的条件;然后利用Lyapunov稳定性理论设计反馈控制律,并给出控制律存在的一系列条件;最后分析了系统中存在的奇点及其对收敛性的影响.仿真实验表明了所设计的控制器是有效的.

关键词： acrobot 欠驱动动态伺服控制 Lyapunov稳定性理论

考虑外部扰动的acrobot机器人系统滑模控制

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西南交通大学学报 2011年第1期46卷 115-120页

作者：王中华杨洁程金张勇济南大学控制科学与工程学院山东济南250022

为增加acrobot控制系统的抗干扰能力,针对欠驱动acrobot系统,建立了系统模型.提出滑模控制策略,将模型转化为级联规范型,并扩展到一般形式,增加了扰动项.采用双曲正切函数代替符号函数,消除了抖振.采用Lyapunov理论和摄动理论相结合的... 详细信息

为增加acrobot控制系统的抗干扰能力,针对欠驱动acrobot系统,建立了系统模型.提出滑模控制策略,将模型转化为级联规范型,并扩展到一般形式,增加了扰动项.采用双曲正切函数代替符号函数,消除了抖振.采用Lyapunov理论和摄动理论相结合的方法证明所提的控制策略能保证系统渐近稳定,并具有较强的鲁棒性,该方法可应用到其它欠驱动系统.仿真结果证明了该方法对acrobot系统平衡控制的有效性.

关键词：滑模控制级联规范型欠驱动系统 acrobot

Balance Control for an acrobot

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Balance Control for an Acrobot

2011 Chinese Control and Decision Conference（CCDC）

作者： Fangzheng Xue is with the College of Automation,Chongqing University,Chongqing,China. Zhicheng Hou is with the College of Automation,Chongqing University Chongqing,China.Hangjian Deng is is with the College of Automation,Chongqing University,Chongqing,China.

A balancing controller using LQR approach and GA method is designed for three-link *** three-link acrobot we studied is not actuated by torque but acceleration,which has more significant than the common *** establish the model of the acrobot,which consists of two parts:actuation model and dynamic *** LQR method,a balancing controller is designed for the *** genetic algorithms method is used to improve the performance of *** results show the feasibility and effectiveness of the controller.

关键词： acrobot Balance control LQR GA

来源： cnki会议评论

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cnki会议

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acrobot镇定控制策略研究

Acrobot镇定控制策略研究

作者：罗林英哈尔滨工业大学

学位级别：硕士

欠驱动机械系统是指系统控制输入个数少于系统自由度的机械系统。由于其驱动个数缺失，使其在节省空间，降低重量，减少能源消耗等方面拥有巨大的优势。acrobot是一类典型的欠驱动机械系统，作为学者们研究欠驱动机械系统所经常采用的be... 详细信息

欠驱动机械系统是指系统控制输入个数少于系统自由度的机械系统。由于其驱动个数缺失，使其在节省空间，降低重量，减少能源消耗等方面拥有巨大的优势。acrobot是一类典型的欠驱动机械系统，作为学者们研究欠驱动机械系统所经常采用的benchmark之一，它是由仿生机器人的悬臂运动抽象得到的一种简化模型。本文以acrobot为研究对象，主要研究其镇定控制问题。旨在寻求一种控制算法，不仅能够在理论上将acrobot由竖直向下稳定平衡点起摆并稳定于竖直向上不稳定平衡点，并且易于实际实现。主要有以下内容：采用分析力学中的拉格朗日方程为acrobot系统建立理想情况下的精确数学模型，在平衡点附近进行近似线性化，并采用“必要条件法”在Matlab/Simulink环境下验证所建立系统模型的正确性。为acrobot系统分别设计基于单一控制器的控制策略和基于切换控制器的控制策略的镇定控制器。基于单一控制器控制策略采用Backstepping实现系统镇定控制;在基于切换控制器控制策略中，起摆控制器采用李雅普诺夫理论实现，平衡控制器采用线性二次型最优控制理论实现。在Matlab/Simulink环境下进行两种控制器的有效性验证实验。由于acrobot系统的参数具有严重的分布不均匀特性，很难通过理论计算获得实际acrobot系统的参数，需要通过参数辨识获得系统参数，本文采用UKF对acrobot系统进行参数辨识过程。最后，本文在基于dSPACE的acrobot半实物仿真平台上进行半实物仿真实验，实现基于切换控制器的控制策略的acrobot镇定控制过程，验证基于切换控制器的控制策略在实物acrobot上的控制效果。

关键词：欠驱动 acrobot 镇定控制 Backstepping 切换控制策略

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acrobot系统动态伺服控制研究

Acrobot系统动态伺服控制研究

作者：程红太哈尔滨工业大学

学位级别：硕士

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... 详细信息

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。

关键词：欠驱动 acrobot 动态伺服控制 Lyapunov稳定性理论 UKF