几类欠驱动机械系统的镇定及跟踪控制问题研究.pdf

重庆大学硕士学位论文 中文摘要 摘 要 欠驱动系统是指控制变量数量要比系统自由度少的一类典型非线性系统。欠 驱动系统在节约能量、降低造价、减轻重量、增强系统灵活度等方面都较完全驱 动系统更加优越。同时，欠驱动系统结构都相对简单，系统整体的动力学分析和 实验就更加的方便。有些全驱动机械的某些部件发生故障后，全驱动系统可以暂 时转化为欠驱动系统来工作。随着工业的发展和理论方向的深入研究，欠驱动系 统的使用越来越广泛。但相比于全驱动系统，由于欠驱动系统的特性，自由度多 于控制输入的数量，就为控制器的设计增加了难度。所以对欠驱动系统的研究无 论是实际应用方面还是理论方面都有很现实的意义。 本文针对几种典型的欠驱动系统，提供了几种镇定及跟踪控制设计方案，主 要的工作有以下几方面： 第一，针对桥式吊车系统，提供了一种结合PPB （预测性能界）与DSC （动 态面控制）的控制方法。采用反步法设计出控制器，优化了吊车的收敛速度，提 高了吊车的瞬态性能。 第二，提出了一种非线性自适应容错控制，使得当船舶的推进器发生故障时， 即使存在未知的系统参数以及由波浪、风和洋流引起的环境干扰，整个系统依然 可以遵循预定的路径行驶。结果表明，采用本文提出的控制器，船舶系统的路径 可以用任意小的跟踪误差跟踪参考轨迹。 第三，针对欠驱动水面船舶系统的轨迹跟踪问题，研究了在输入饱和这一约 束条件下的跟踪控制难题。将多输入多输出的系统通过有限时间解耦控制转换成 多个单输入单输出的系统，使得欠驱动船舶系统成为了两个独立的单输入单输出 的子系统，而且由于两个系统的影响方式是单方面的，所以可以对两个子系统分 别设计控制器。最终能够证明整个系统在输入饱和约束下能够保证系统的稳定性。 这类方法不仅仅可以运用到水面船舶系统，也可以运用到其他非线性带输入约束 系统的控制上。 最后，针对本文工作做了相关的总结，论述了这些控制方案的优势和不足， 并在总结的基础上，对后续的工作进行了展望。 关键词： 欠驱动系统、吊车、欠驱动船舶、稳定性分析、跟踪控制 I 重庆大学硕士学位论文 英文摘要 Abstract The underactuated system refers to a class of nonlinear systems with independent control variables less than the number of degrees of freedom. It is superior to fully actuated system in saving energy, reducing cost, reducing weight and enhancing system flexibility. At the same time, the structure of the underactuated system is relatively simple, so the dynamic analysis and experiment of the whole system are more convenient. Even when some components of some full actuated systems machines fail, the full actuated systems system can be temporarily converted into an under-driven system to work. At the same time, underactuated systems are used more and more widely