惯性轮摆镇定控制器的迭代设计方法.pdf

第12期
组令机床与自动化加工技术
2012年12月
Modular Machine Tool Automatic Manufacturing Technique
Dec.2012
文章编号:1001-2265(2012)12-0041-04
惯性轮摆镇定控制器的迭代设谢方法
王轶卿,李胜2,侯保林
(1.南京工业大学自动化与电气工程学院,南京210009;2.南京理工大学a.自动化学院;b.机械
工程学院,南京210094)
摘要:针对惯性轮摆系统的镇定控制问题,提出了一种控制器迭代设计方法。该方法首先通过坐标
变换将惯性轮摆系统转换为一个非线性级联系统,然后通过迭代设计和坐标逆变换,获得惯性轮摆
系统的状态反馈镇定控制器,并证明了所得控制器能够使得惯性轮摆系统稳定在摆杆垂直向上的平
衡位置。最后参考一个实际的惯性轮摆系统的物理参数,通过仿真,验证了所设计控制器的有效性。
与已有方法相比,该方法更为简洁,更适合推广到其他欠驱动系统的镇定控制。
关键词:非线性控制;反馈镇定;欠驱动系统;惯性轮摆
中图分类号:TH16;TG65
文献标识码:A
A Recursive Design Method for Stabilization of the Inertia Wheel Pendulum
WANG Yi-qing
L Sheng", HOU Bao-lin*
School of Automation and Electronic Engineering, Nanjing University of Technology, Jiangsu 210009
China 2a School of Automation; 2b. School of Mechnical Engineering, Nanjing University of Science and
Technology, Nanjing 210094, China)
Abstract: Aimed at the stabilization problem of the Inertia Wheel Pendulum system, a recursive design
method of stabilization controller was proposed. In this method, the Inertia Wheel 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
Wheel Pendulum system with explicit form was obtained. And then the stability of the Inertia Wheel 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 IWP 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 systems
Key words: nonlinear control; feedback stabilization; underactuated system; inertia wheel pendulum
0引
文献[1]将惯性轮摆从垂直向下自然平衡位置
至垂直向上平衡位置的镇定问题分为两个阶段予以
近年来,由于欠驱动机械系统的广泛应用,其建解决:摆起阶段和平衡阶段。在摆起阶段,给出了
模与控制问题得到了越来越多学者的关注与研究。种基于能量的摆起控制方法,在平衡阶段,则利用状
实际工程中存在很多欠驱动系统,如移动机器人、水态反馈线性化和极点配置方法设计了系统的反馈镇
面/水下舰艇、空间飞行器和柔性系统等。这些系统定控制器,最后,运用切换控制策略将上述两个阶段
有一个共有特征,即系统中驱动器的个数比系统自控制器综合到一起用于系统的摆起和平衡控制,在
由度的个数要少。惯性轮摆是一个典型的欠驱动系此控制策略的作用下,系统的摆杆可以从垂直向下
统,很多学者将其作为欠驱动系统的研究范例,并且的位置摆起并平衡在垂直向上的位置,但由于切换
运用很多方法来解决该系统的镇定控制问题,如监时刻不易把握,系统镇定需要多次切换和较长的时
督式切换控制策略2、传统 Backstepping方法3?、滑
模控制、饱和函数法。等。
文献[5-6]通过全局坐标变换将惯性轮摆的原动
收稿日期:2012-04-03;修回日期:2012-09-25
*基金项目:国家自然科学基金(51175266);江苏省高校自然科学研究计划项目(12KJBS10008);南京工业大学青年教师学术基金(39710013)
作者简介:王轶卿(1981一),女,河北三河人,南京工业大学自动化与电气工程学院讲师,博士生,主要从事欠驱动系统控制、非线性控制、智
能控制等方面的研究,(E-mail)wangyiqingl112@163.com