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慣性輪擺鎮定控制器的迭代設計方法.pdf

'慣性輪擺鎮定控制器的迭代設計方法.pdf'
第 12期 2012年 12月 組 合 機 床 與 自 動 化 加 工 技 術 M odular M achine Tool& Autom atic M anufacturing Technique NO.12 Dec. 2012 文章編 號 :1001— 2265(2012)12— 0041— 04 慣性輪擺鎮定控制器 的迭代設 計方法 木 王軼 卿 ,李 勝 ,侯保林 (1.南京工 業 大學 自動化 與 電氣工 程 學院 ,南京 210009;2.南 京理 工大 學 a.自動化 學 院 ;b.機 械 工程 學 院 ,南 京 210094) 摘 要 :針 對 慣性輪 擺 系統 的鎮 定控 制 問題 ,提 出 了一種 控 制 器迭代 設 計 方 法 。該 方 法 首先 通 過 坐標 變 換 將 慣 性 輪 擺 系統 轉 換 為 一 個 非 線 性 級 聯 系統 ,然 后 通 過 迭 代 設 計 和 坐 標 逆 變換 ,獲 得 慣 性 輪 擺 系統 的狀 態反饋 鎮 定控 制 器 ,并證 明 了所得 控 制 器能 夠使 得 慣性 輪 擺 系統穩 定在 擺 桿 垂直 向上 的平 衡 位 置 。最后 參考 一 個 實際的慣 性輪擺 系統 的物 理參數 ,通 過仿 真 ,驗 證 了所設 計控 制 器 的有 效性 。 與 已有 方 法相 比 ,該 方 法更 為 簡潔 ,更 適合 推 廣到 其他 欠驅 動 系統 的鎮定控 制 。 關 鍵詞 :非 線性 控制 ;反饋 鎮 定 ;欠驅 動 系統 ;慣 性輪 擺 中圖分 類號 :TH16;TG65 文獻 標識 碼 :A A Recursive Design M ethod for Stabilization of the Inertia W heel Pendulum WANG Yi—qing ,2a, LI Sheng ,HOU Bao—lin (1.School of Automation and Electronic Engineering,Nanjing University of Technology,Jiangsu 2 1 0009, China;2a.School of Automation;2b.School of Mechnical Engineering,Nanjing University of Science and Technology,Nanjing 2 1 0094,China) Abstract:Aimed at the stabilization problem of the Inertia W heel Pendulum system ,a recursive design method of stabilization controller was proposed.In this method,the Inertia W heel Pendulum system was transformed into a nonlinear cascade form through a coordinate transformation firstly.And through a re- cursive design procedure and inverse coordinate transformation, a state feedback controller of Inertia W heel Pendulum system with explicit form was obtained.And then the stability of the Inertia W heel Pen— dulum system under the proposed controller at position,where the pole was vertial up,was proved.Fi— nally,the effectiveness and performance of the proposed stabilization controllers for an inertia wheel pen— dulum system whose parameters were taken from a real-life model of the IW P was shown through simula— tions.Compared with some existing method,the proposed method in this paper was more simplicity and suitable to expand to the stabilization of other underactuated system s. Key words:nonlinear control;~edback stabilization;underactuated system ;inertia wheel pendulum 0 引 言 近 年來 ,由于欠 驅動 機 械 系 統 的廣 泛 應 用 ,其 建 模 與控 制 問題 得 到 了 越 來 越 多 學 者 的關 注 與 研 究 。 實 際工程 中存 在 很 多欠 驅 動 系 統 ,如移 動機 器 人 、水 面/水 下 艦艇 、空 間 飛行 器 和柔 性 系統 等 。這 些 系 統 有一 個共 有 特 征 ,即 系 統 中驅 動 器 的個 數 比系 統 自 由度 的個 數要 少 。慣 性 輪 擺是 一 個 典 型 的欠 驅 動 系 統 ,很 多 學者將 其 作 為欠 驅 動 系 統 的研 究 范 例 ,并 且 運用 很 多方 法 來 解 決 該 系 統 的 鎮 定 控 制 問題 ,如 監 督式 切換 控 制策 略 、傳統 Backstepping方 法 、滑 ???制 H 、飽 和 函數法 等 。 文獻 [1]將 慣 性 輪 擺 從 垂 直 向 下 自然平 衡 位 置 至垂 直 向上平 衡位 置 的鎮 定 問題 分 為 兩個 階段 予 以 解決 :擺起 階段 和平 衡 階段 。在 擺 起 階 段 ,給 出 了一 種基 于 能量 的擺起 控 制 方 法 ,在平 衡 階段 ,則利 用 狀 態反 饋線 性化 和極 點 配 置 方法 設 計 了 系統 的反饋 鎮 定控 制器 ,最 后 ,運 用 切 換控 制 策 略將 上 述 兩個 階段 控制 器綜 合 到 一 起 用 于 系統 的擺 起 和平 衡 控 制 ,在 此控 制策 略 的 作 用 下 ,系 統 的 擺 桿 可 以從 垂 直 向下 的位 置擺 起 并 平 衡 在 垂 直 向上 的位 置 ,但 由于 切 換 時刻 不易 把 握 ,系 統 鎮 定 需 要 多 次 切 換 和 較 長 的 時 間 。 文獻 [5-6]通過全局 坐標變換將 慣性 輪擺 的原 動 收稿 日期 :2012— 04— 03;修 回日期 :2012— 09— 25 基金項 目:國家 自然科學基金(51175266);江蘇省高校 自然科 學研究計劃項 目(12KJB510008);南京工業大學青年教師學術基金 (39710013) 作者簡介 :王軼卿(1981一 ),女 ,河北三河人 ,南京工業大學 自動化與電氣工程學院講師 ,博 士生 ,主要從事欠驅動 系統控 制 、非線性控 制、智 能控制等方面的研 究 ,(E— mail)[email protected].com。
關 鍵 詞:
方法 鎮定 設計 慣性 迭代 控制器
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