基于智能控制的TORA动态伺服技术研究

论文总字数：26107字

摘 要

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摘要

随着科技的不断进步，工业技术应用的发展也是日新月异，但是随之而来的是一类特殊的机械系统——欠驱动机械系统；这类机械系统广泛存在于航空航天，机器人和交通运输等领域，并且逐渐成为现代控制领域的研究的热点之一。

欠驱动机械系统与传统的全驱动机械系统相比，最大的不同在于欠驱动机械系统的驱动数目少于自由度，还有有非线性，强耦合等因素，还有约束非完整，驱动缺失等一些特点。而”动态伺服控制”最初的想法源自于灵长类仿生悬摆控制研究，其所关注的问题是如何使灵长类机器人从一个起始点摆动到目标点，这里的起始点和目标点都是确定的；并且不关注其实现形式，而且最终表现出来的运动轨迹具有周期性和动态性的特点。”动态伺服控制”广泛应用于Acrobot，TORA等一类欠驱动机械系统中。

本论文以欠驱动TORA系统为应用对象，先利用拉格朗日方程来对其进行分析，再建立起系统的动力学模型，并进行仿真实验验证其正确性和有效性；同时为实现该系统的”动态伺服控制”，采用模糊控制的方法，分析系统的平衡点，并对系统的能控性进行观测。然后提出一种基于T-S型模糊控制器的控制器设计方案，将系统的输出数据进行模糊处理，并满足李雅普诺夫稳定条件。这种控制方案可以使系统参数发生改变或有扰动发生时，能够快速稳定到平衡状态。通过仿真实验验证其有效性和正确性。

关键词：欠驱动；TORA；模糊控制；动态轨迹跟踪；动态伺服控制

Abstract

With the continuous progress of the science, the application of industrial technology is also expanding with each passing day. But the following is a special kind of mechanical system: Underactuated mechanical system; Such mechanical systems are widely used in aerospace, robotics, transportation and other fields, and have gradually became one of the hot spots in the field of modern control research.

Compared with the traditional fully actuated mechanical system, the biggest difference of the underactuated mechanical system is that the number of the driving is less than the degree of freedom, and there are nonlinear, strong coupling and other factors, as there are constraints of incomplete, lack of driving and other characteristics. The idea of the dynamical servo control originated from the research on the control of Bio-Primates robot it cares about the robot how to make access from a determined starting point to the determined target point; and do not concrete on the ways of the realization, the final performance of the trajectory of the movement has the characteristics of periodicity and dynamic. The “Dynamical servo control” is widely used in a Class of Underactuated Mechanical Systems, such as Acrobot, TORA.

In this paper, the TORA system is used as the application object. Firstly, uising the Lagrange equation to analysis the system, then establishing the dynamic model of the system, and using the simulation to make an experiment to test and verify the correctness and effectiveness of the model. And then, in order to realize the “Dynamical servo control” of the system, analyzing the balance point of the system by using a method of fuzzy control, and observing the controllability of the system. Then presents a controller design programme based on the T-S fuzzy controller, dealing the output data with fuzzy processing to satisfy the Lyapunov stability conditions. This progamme can be quickly stabilized to the equilibrium state, when the parameters of the system have changed or there is a disturbance occurring. At last, the validity and the correctness of the simulation model are verified by the simulation experiments.

Keywords: Underactuated, TORA , fuzzy control, Dynamic trajectory tracking, Dynamical servo control

目录

摘要 I

Abstract III

目录 V

第一章 绪论 1

1.1 研究背景 1

1.2 国内外研究现状 3

1.3 论文研究内容及意义 5

第二章 欠驱动TORA系统的动力学建模 7

2.1 动力学模型的建立 7

2.2 系统模型验证 10

2.3 本章小结 14

第三章 模糊控制器的设计 15

3.1 模糊控制理论简介 15

3.2 T-S模糊控制 16

3.3 T-S模糊控制器的设计 17

3.4 本章小结 21

第四章 MATLAB中模糊控制的实现 22

4.1 利用S-Fuction建立欠驱动TORA系统 22

4.2 线性矩阵不等式的编辑（LMI Editor） 22

4.3 利用Fuzzy Editor设计模糊推理系统 24

4.4 欠驱动TORA系统的模糊控制以及结果分析 26

4.5 本章小结 28

第五章 欠驱动TORA系统的动态伺服控制研究 29

5.1 动态伺服控制 29

5.2 动态伺服控制的实现方式 29

5.3 动态伺服控制的控制器设计 30

5.4 本章小结 33

致谢 35

参考文献 36

绪论

研究背景

自控制理论发明后一百多年以来，传统的经典线性控制理论已经基本趋于完善，并且在现实生活和工业生产中的许多领域得到了极其广泛的应用，发挥着不可替代的作用。然而，随着现实工业生产技术和需求的不断提高，所要求的控制对象也变得愈来愈复杂。所以随着人类社会的不断发展，传统的线性控制理论已经不能满足现代社会工业生产的需求。尤其是自二十世纪五十年代这半个世纪多以来，随着机器人，航空航天等一系列新的机械装置的出现，自动控制机械系统领域得到了极大地发展和拓宽：从线性系统到非线性系统；从全驱动系统到欠驱动系统；从以前比较简单的单输入单输出的系统转变到较为复杂的多输入多输出的系统^[1]。

实际上来讲，自然界中非线性系统分布的更为广泛，而线性系统只是它们某些特定条件下的近似的表现形式^[2]；而且非线性系统更为复杂，其中存在一些动力学特性。欠驱动系统就是非线性系统中比较特殊的一种，其控制输入量的数量要少于系统的自由度。也因为这样的原因，欠驱动系统有着一些比较复杂的特征，比如无法精确地实现系统的线性化。但是欠驱动系统在现代生活中的应用十分广泛，如直升飞机、水下航行器、太空机器人、卫星和仿生机器人等；虽然欠驱动系统的控制要难于全驱动系统，但是它却具有很多优点：可以有效地节约能源、降低一些工业机械的制造成本、减少安装装置所需的空间体积以及增强系统工作的灵活性等等。所以成为了学者们眼中有着较高研究价值的课题，具体可归纳如下^[3]：

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