平面Acrobot和Pendubot的统一控制策略

为实现被动关节处于不同位置的平面Acrobot和Pendubot的统一控制,提出一种基于轨迹规划和跟踪控制的控制策略.系统的控制过程划分为两个阶段:在第1个阶段,通过对驱动连杆规划轨迹并使其跟踪轨迹运动,实现驱动连杆控制目标.此时,欠驱动连杆处于自由转动状态.在第2个阶段,对驱动连杆设计一条带有可调参数的振荡轨迹,并利用差分进化算法优化轨迹参数,确保当驱动连杆跟踪第2阶段轨迹从目标状态出发,最终返回目标状态时,欠驱动连杆也被连带控制到目标状态.通过仿真验证了所提控制策略的有效性和可行性.该控制策略可有效实现平面Acrobot和Pendubot的统一控制.

基于倒转方法的欠驱动Acrobot系统稳定控制

针对欠驱动两杆体操机器人Acrobot,提出一种新的稳定控制方法.首先,通过利用一个虚拟摩擦力矩为Acrobot构造一条下摆轨迹;然后,运用倒转的思想为它设计出一条由垂直向下位置到垂直向上位置的期望运动轨迹,并以此将系统的稳定控制问题转化为跟踪控制问题;最后,基于最优控制理论来设计跟踪控制器,使Acrobot能够沿期望轨迹渐近稳定在垂直向上位置处.仿真结果验证了所提方法的有效性.

Acrobot控制器设计与全局稳定性分析

提出一种基于非光滑Lyapunov函数的Acrobot控制器设计和全局稳定性分析方法．基于三个Lyapunov函数分别设计了三种控制规律,用米增加Acrobot的能量和保持合适的姿态,使Acrobot摇起并稳定在垂直向上的不稳定平衡点．应用LaSalle不变原理和非光滑Lyapunov函数理论,保证了Acrobot在整个运动空间的全局稳定性．仿真结果证明了该方法的有效性．

考虑外部扰动的Acrobot机器人系统滑模控制

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.

Acrobot动态伺服控制及其对称虚约束方法研究

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.

基于能量的Acrobot动态伺服控制

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.

基于级联标准型的Acrobot反步控制

Acrobot是一种典型的二自由度欠驱动机械系统,针对Acrobot系统镇定控制中需要分别设计起摆控制器和平衡控制器,控制器设计复杂这一问题,提出一种新型的镇定控制策略,该控制策略仅仅需要设计一个控制器,就可以使Acrobot由竖直向下的稳定平衡点起摆,并稳定于竖直向上的不稳定平衡点。首先,采用欧拉-拉格朗日方程为系统建立动力学模型;然后,结合部分反馈线性化,提出一种闭环全局坐标变换方案,将Acrobot系统动力学模型转换为严格反馈级联标准型;最后,采用反步法将系统分为若干个子系统,分别为每个子系统构造Lyapunov函数,并设计虚拟控制输入,最终实现系统的镇定控制。仿真结果表明,所提出的控制策略简单有效,可以应用于与Acrobot系统类似的二自由度欠驱动系统中,具有较高的理论和应用价值。

行为受限下Acrobot起摆平衡控制研究

Acrobot是一种典型的二自由度欠驱动机械系统,针对实际中可能存在的杆二摆角及驱动力矩受限的问题,研究了行为受限下系统的起摆与平衡控制问题。将整个过程分为起摆和平衡2个阶段,首先利用垂直向上不稳定平衡点处近似线性模型,设计了基于LQR方法的平衡控制器,并以减小平衡控制过程力矩为目标讨论了切换姿态的优化问题;起摆控制采用了基于参考路径的能量泵入法,提出了一个改进的参考路径,采用部分反馈线性化方法实现对参考路径的跟踪,可以保证摆角在一定范围内摆动的情况下系统机械能不断增加,使起摆结束时具有更优的切换姿态,从而更容易切换至平衡控制阶段,同时使得平衡控制过程更加平稳,所需力矩更小。最后给出了实物实验结果,证明了所提控制策略的有效性。

粒子群优化算法在Acrobot平衡控制中的应用

粒子群优化算法(PSO)是基于群体的演化算法,本质上是一种随机搜索算法,并能以较大概率收敛到全局最优。本文针对欠驱动Acrobot机械臂系统,利用模糊控制原理设计平衡控制器,运用粒子群算法对模糊控制器的量化因子进行在线优化,获得平衡控制器参数的最优值,以实现降低系统超调量,减少系统振荡和平衡时间的目的。仿真实验结果验证了该方法的有效性。

Acrobot基于能量的摇起控制算法与运动特性分析

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。

基于线性矩阵不等式的Acrobot鲁棒镇定控制

针对欠驱动机器人Acrobot,提出一种基于线性矩阵不等式的鲁棒镇定控制方法。通过将Acrobot在垂直向上不稳定平衡点附近的第一杆角速度看作一种不确定性,得到Acrobot的不确定模型,在此基础上设计一种基于线性矩阵不等式的鲁棒镇定状态反馈控制律,实现Acrobot较大范围的平衡控制。仿真和对比结果验证了方法的有效性和优越性。

Acrobot运动控制中奇异问题的解法

本文针对Acrobot运动控制中出现的奇异现象,提出了一种集成模糊控制的解决方法。首先,解释了基于Lyapunov函数的Acrobot位置和能量集成控制的运动控制规律中出现的奇异问题;其次,采用模糊控制器调节运动控制规律的参数解决了运动控制中出现的奇异问题;然后,为了提高控制性能,设计了不同情况下的两个附加模糊控制器,用以调节运动控制规律的另一参数。最后仿真结果证明了该控制策略的有效性。

基于能量法的平面Acrobot的控制稳定性

针对平面Acrobot的控制稳定性问题,运用基于能量的控制方法,建立了平面Acrobot数学模型,根据无源性理论证明其满足无源性条件;在此基础上,从能量的角度出发,根据Lyapunov稳定性理论推导出了系统的控制律;根据拉萨尔不变集原理证明系统在目标平衡位置处达到渐近稳定。在MATLAB中通过两个算例进行仿真实验,仿真结果证明了控制方法的有效性。

双连杆Acrobot机器臂的最优控制器设计

研究欠驱动机器人Acrobot的最优控制,基于时间最短与控制量均衡性能指标的最优控制问题。首先运用最优控制原理得到了摇起区的最优控制律,当摇起区控制律进入吸引区时,采用切换控制使系统稳定在平衡顶点。使用拉萨尔定理分析最优控制律下局部稳定性,利用开关定理分析了切换控制下的全局稳定性。建立了力矩无约束条件下连续控制律与力矩受限开关控制律之间关系。文末给出了一个仿真实例,与相关研究结果进行了对比。

Acrobot系统基于滑模的离散时间变结构控制

研究了将离散时间变结构控制应用于Acrobot系统的平衡控制器设计的问题.首先给出了Acrobot在垂直向上平衡点处的离散化数学模型.分析了离散指数趋近律存在抖振的机理,针对其不足给出了一种改进的趋近律,并将其应用于Acrobot系统的控制中,设计了离散时间变结构平衡控制器.仿真结果表明,改进的趋近律可有效地减小系统的抖振,并保证系统渐近稳定,实现了Acrobot系统基于滑模的离散时间变结构控制.

基于可变设计参数的平面Acrobot位置快速控制方法

为平面Acrobot系统(无重力项)提出一种基于可变设计参数的快速位置控制方法。首先,根据平面Acrobot系统的完全可积特性,获取驱动关节与欠驱动关节的角速度和角度约束关系。其次,根据系统的物理结构,推导出末端点坐标位置和两关节角度之间另一类约束关系。然后,基于这两类约束关系,利用粒子群优化算法求取目标位置对应的两杆目标角度。接着,通过构造李雅普诺夫函数为平面Acrobot系统设计控制器,并根据控制器中设计参数的特性,选择一个可变的设计参数,减少控制系统到达目标的时间。利用连杆角速度和角度约束关系,通过控制驱动杆到目标角度同时连带控制欠驱动杆到目标角度,实现系统的控制目标。最后,仿真结果验证所设计控制方法的有效性和快速性。

Control of acrobot based on Lyapunov function

Fuzzy control based on Lyapunov function was employed to control the posture and the energy of an (acrobot) to make the transition from upswing control to balance control smoothly and stably. First, a control law based on Lyapunov function was used to control the angle and the angular velocity of the second link towards zero when the energy of the acrobot reaches the potential energy at the unstable straight-up equilibrium position in the upswing process. The controller based on Lyapunov function makes the second link straighten nature relatively to the first link. At the same time, a fuzzy controller was designed to regulate the parameters of the upper control law to keep the change of the energy of the acrobot to a minimum, so that the switching from (upswing) to balance can be properly carried out and the acrobot can enter the balance quickly. The results of simulation show that the switching from upswing to balance can be completed smoothly, and the control effect of the acrobot is improved greatly.

基于SISO镇定方法的Acrobot机械臂稳定控制器的设计

主要讨论了利用单输入单输出思想来镇定单输入多输出Acrobot系统的一种方法.首先针对驱动杆设计一种稳定控制器,然后用所设计的控制器验证被动杆的运动是否能跟随主动杆一起达到稳定的效果.控制策略包括两个部分,首先泵起双杆至给定界面,在系统进入界面后,采用线性化处理系统,从而加速系统快速稳定地达到指定平衡点.最后选取两个经典的实例,验证了本文方法的有效性.

基于数值变分计算的Acrobot机器臂能量最优控制

针对最小能量控制中初始参数难以确定的问题,利用欧拉-拉格朗日乘子处理系统约束而获得积分形式的变分方程,通过离散化变分方程,得到系统最优控制的必要条件,并选定合适的积分方法,求解非线性方程而得到系统最优控制解。仿真实验表明,该方法求解变分方程是可行的。

MOTION CONTROL OF A CLASS OF UNDERACTUATED MECHANICAL SYSTEMS: THE ACROBOT EXAMPLE

Presents a control strategy for underactuated mechanical system: the acrobot example, which combines fuzzy control and linear quadratic control. The fuzzy controller designed for the upswing ensures that the energy of the acrobot increases with each swing. After the acrobot enters a neighborhood of the unstable straight up equilibrium position, a linear quadratic regulator is designed to balance it.