二级倒立摆平衡点间任意转换的运动控制方法研究

摘要

倒立摆是一种典型的非线性、欠驱动、多变量、强耦合的多刚体连杆结构机械装置，其驱动个数少于自由度，依赖于关节的耦合作用实现对非驱动关节的间接控制，控制难度很大，能直观反映出镇定、随动、鲁棒性等控制中的典型问题，是检验控制理论与控制方法的首选平台，被称为“控制领域的明珠”和“控制理论的试金石”。在现实生活中，双足步行机器人、欠驱动机械臂、两轮平衡车、火箭垂直度等控制问题都可以抽象为倒立摆加以研究，相关控制方法在军工、航天、机器人等领域有着广泛用途。
　　倒立摆的每根摆杆都有垂直向下(Down)和垂直向上(Up)两个平衡点，N级倒立摆有2N个平衡点，其中仅悬垂位置为自然平衡点，其余皆为需要控制才能保持平衡的临界平衡点。大多数研究集中在平衡点附近的稳定控制，以及从悬垂点到倒立点的摆起控制；对于摆杆平衡点之间大范围内的任意转换运动控制则鲜有涉及。倒立摆平衡点间的大范围非线性运动，不仅需要对摆杆的角度进行精确控制，还需要频繁调整摆杆间的相对姿态、摆杆的动能与势能，这些目标都只能通过单个控制输入来实现，控制难度极大。本文针对二级倒立摆四个平衡点间任意转换的大范围非线性欠驱动控制问题，展开了类等效建模与非线性动力学分析、控制方法与控制器设计、未建模动态抑制等方面的研究工作，主要内容如下：
　　①针对倒立摆动力学特性复杂，线性化分析方法无法满足控制需求的问题，提出了一种非线性动力学分析方法。该方法首先建立起倒立摆的类等效动力学模型，针对被动关节进行动力学解耦，推导出被动关节的二阶非完整约束角加速度表达式，分离出摆杆的控制作用强度函数、重力作用强度函数、转动摩擦作用强度函数、以及旋转离心力作用强度函数。深入分析了摆杆空间位姿与摆杆控制作用强度之间的量化关系，以及动力学参数与摆杆控制作用强度的量化关系，为控制器设计与机械系统设计提供借鉴与参考。
　　②针对基于动觉智能图式的仿人智能控制（SMIS-HSIC）中高层智能形式化描述不足，缺乏应用算法的问题，在深入分析SMIS-HSIC中两类基本过程的基础上，提出以动觉智能图式作为SMIS-HSIC系统的基本组成单元，实现了低阶动觉智能图式、高阶关联图式、平衡调节图式、同化图式、顺应图式的形式化描述的统一。应用改进SMIS-HSIC方法，结合非线性控制特性分析与先验知识，率先实现了二级倒立摆平衡点间任意转换运动控制。
　　③针对实际系统中未建模动态导致控制系统稳定性与可靠性无法满足工程化应用的问题，提出一类在线与离线相结合的未建模动态抑制方法，其中在线部分采用实时特征识别与基于增益调度算法的补偿控制相结合的方法，实现随机未建模动态抑制与预设性能的跟踪；离线部分采用改进遗传算法进行动力学参数辨识与控制参数优化，实现被控对象特性漂移导致的未建模动态抑制。

目录

1 绪 论

1.1 课题的研究背景与研究意义

1.2 倒立摆平衡点间任意转换控制问题描述

1.3 倒立摆控制国内外研究现状

1.4 本文主要研究内容与章节安排

2 加速度驱动动力学建模与摆杆控制作用强度分析

2.1 引言

2.2 加速度驱动型旋转二级倒立摆动力学建模

2.3 二级倒立摆模型误差分析与动力学参数辨识

2.4 旋转二级倒立摆模型等效变换与动力学解耦

2.5 摆杆空间位姿与内杆控制作用强度量化分析

2.6 摆杆空间位姿与外杆控制作用强度量化分析

2.7 动力学参数与摆杆控制作用强度量化分析

2.8 本章小结

3 二级倒立摆平衡点间任意转换的仿人智能控制器设计

3.1 引言

3.2 基于动觉智能图式的仿人智能控制理论简介

3.3 两类SMIS-HSIC基本过程分析与图式形式化描述统一

3.4 总体任务分解与控制系统结构设计

3.5 低阶动觉智能图式设计：子任务(转换动作)实现

3.6 高阶关联图式与成套随机动作序列执行

3.7 动觉智能图式编码与优化

3.8 实验结果展示与分析

3.9 本章小结

4 二级倒立摆系统未建模动态抑制与预设性能跟踪

4.1 引言

4.2 平衡调节图式设计：系统稳定性监控

4.3 应急处置图式

4.4 同化图式设计与未建模动态抑制

4.5参考轨迹与预设性能跟踪

4.6 基于稳定特征的关键参数校正

4.7 实时实验结果

4.8 本章小结

5 结论与展望

5.1 主要内容与创新点

5.2 不足与展望

致谢

参考文献

附录

A. 作者在攻读博士学位期间发表的论文目录

B. 作者在攻读博士学位期间获批的发明专利

C. 作者在攻读博士学位期间参加的科研项目