基于級聯標準型的Acrobot反步控制
摘要:Acrobot是一種典型的二自由度欠驅動機械系統,針對Acrobot系統鎮定控制中需要分別設計起擺控制器和平衡控制器,控制器設計復雜這一問題,提出一種新型的鎮定控制策略,該控制策略僅僅需要設計一個控制器,就可以使Acrobot由豎直向下的穩定平衡點起擺,并穩定于豎直向上的不穩定平衡點。首先,采用歐拉拉格朗日方程為系統建立動力學模型;然后,結合部分反饋線性化,提出一種閉環全局坐標變換方案,將Acrobot系統動力學模型轉換為嚴格反饋級聯標準型;較后,采用反步法將系統分為若干個子系統,分別為每個子系統構造Lyapunov函數,并設計虛擬控制輸入,較終實現系統的鎮定控制。仿真結果表明,所提出的控制策略簡單有效,可以應用于與Acrobot系統類似的二自由度欠驅動系統中,具有較高的理論和應用價值。
關鍵詞:Acrobot;欠驅動;級聯標準型;反步法
中圖分類號:TP27 文獻標志碼:A
1引言
欠驅動系統在節省空間、能源、重量等方面有很大的優勢,在航空航天、機器人等領域有廣泛的應用;然而,隨著驅動器個數的減少,控制難度大大增加。因此,對欠驅動機械系統的控制方法進行研究具有重要的理論價值和實際意義。
Acrobot是一種欠驅動系統,由于其非線性特性復雜,鎮定控制的空間跨度大等因素[1],采用單一控制器實現鎮定控制較為困難。為此,有部分學者采用切換控制策略[2-7],實現系統鎮定控制,但切換控制策略設計十分復雜。為此,學者們提出了單一控制器實現鎮定控制的方法,如文獻[8]中的IDA-PBC法,但該方法要求系統模型為端口受控哈密爾頓形式。文獻[9]中基于軌跡反演的方法,但需要離線設計系統的運動軌跡。文獻[10]提出一種基于熵值方法,但該方法對系統初始狀態有一定要求。
針對上述問題,本文提出了一種基于反步法的鎮定控制策略,經仿真實驗,驗證了所提出控制策略的有效性。該控制方法僅需要一個控制器就能實現Acrobot鎮定控制,且能保證系統全局穩定。
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