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機(jī)電系統(tǒng)自動(dòng)控制 版權(quán)信息
- ISBN：9787030719171
- 條形碼：9787030719171 ; 978-7-03-071917-1
- 裝幀：一般膠版紙
- 冊(cè)數(shù)：暫無
- 重量：暫無
- 所屬分類：>
機(jī)電系統(tǒng)自動(dòng)控制 本書特色
其主要任務(wù)是將貨物快而準(zhǔn)地搬運(yùn)至目標(biāo)位置，并使貨物的擺動(dòng)盡可能小
機(jī)電系統(tǒng)自動(dòng)控制 內(nèi)容簡介
本書系統(tǒng)地介紹了欠驅(qū)動(dòng)吊運(yùn)系統(tǒng)的動(dòng)力學(xué)建模與分析、運(yùn)動(dòng)規(guī)劃、智能控制方面*前沿的進(jìn)展與研究成果，研究對(duì)象涵蓋陸地吊運(yùn)系統(tǒng)、海上船用吊運(yùn)系統(tǒng)、空中無人機(jī)吊運(yùn)系統(tǒng)。實(shí)際吊運(yùn)系統(tǒng)的工作環(huán)境很好復(fù)雜，未知因素繁多，工作任務(wù)多樣，目前仍存在許多亟待解決的瓶頸問題，包括：如何兼顧效率與物理約束進(jìn)行很優(yōu)運(yùn)動(dòng)規(guī)劃、如何提高消擺定位的暫態(tài)控制性能、如何實(shí)現(xiàn)雙橋式吊車的協(xié)調(diào)控制、如何解決復(fù)雜海洋環(huán)境下波浪影響時(shí)的船用吊車控制、如何實(shí)現(xiàn)空中無人機(jī)吊運(yùn)系統(tǒng)的高性能控制等；針對(duì)這些實(shí)際問題，本書逐一進(jìn)行了回答與討論，提出了行之有效的控制策略，進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，并在實(shí)際工業(yè)吊運(yùn)系統(tǒng)上進(jìn)行了典型應(yīng)用。 本書內(nèi)容新穎，實(shí)用性強(qiáng)，層層遞進(jìn)，理論與實(shí)際結(jié)合緊密，可為從事欠驅(qū)動(dòng)機(jī)電系統(tǒng)控制研究的相關(guān)科研工作者、工程技術(shù)人員提供較為全面的參考，也可作為高年級(jí)本科生、研究生的專業(yè)教材。
機(jī)電系統(tǒng)自動(dòng)控制 目錄
目錄
前言
第1章 緒論 1
1.1 欠驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)介紹 1
1.1.1 欠驅(qū)動(dòng)機(jī)器人系統(tǒng) 2
1.1.2 基準(zhǔn)系統(tǒng) 3
1.1.3 其他欠驅(qū)動(dòng)系統(tǒng) 4
1.2 典型吊運(yùn)系統(tǒng) 4
1.2.1 陸地吊運(yùn)系統(tǒng) 4
1.2.2 海上船用吊運(yùn)系統(tǒng) 8
1.2.3 空中無人機(jī)吊運(yùn)系統(tǒng) 9
1.3 本書主要內(nèi)容 10
參考文獻(xiàn) 13
第2章 二維橋式吊車軌跡規(guī)劃方法 16
2.1 引言 16
2.2 基于相平面幾何分析的解析軌跡規(guī)劃方法 18
2.2.1 問題描述 18
2.2.2 基于相平面幾何分析的軌跡規(guī)劃 22
2.2.3 仿真、實(shí)驗(yàn)及分析 32
2.3 基于非線性耦合分析的在線軌跡規(guī)劃方法 42
2.3.1 在線軌跡規(guī)劃框架 42
2.3.2 軌跡規(guī)劃及性能分析 43
2.3.3 仿真、實(shí)驗(yàn)及分析 47
2.4 B樣條時(shí)間*優(yōu)軌跡規(guī)劃方法 50
2.4.1 時(shí)間*優(yōu)軌跡規(guī)劃 51
2.4.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果 59
2.5 本章小結(jié) 61
參考文獻(xiàn) 62
第3章 二維橋式吊車非線性控制 65
3.1 引言 65
3.2 基于負(fù)載廣義運(yùn)動(dòng)的調(diào)節(jié)控制方法 69
3.2.1 動(dòng)力學(xué)模型分析 69
3.2.2 儲(chǔ)能函數(shù)構(gòu)造 70
3.2.3 控制器設(shè)計(jì)與穩(wěn)定性分析 73
3.2.4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析 76
3.3 基于負(fù)載廣義運(yùn)動(dòng)的軌跡跟蹤控制方法 84
3.3.1 模型變換及分析 84
3.3.2 控制器設(shè)計(jì)及分析 85
3.3.3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析 91
3.4 考慮未建模動(dòng)態(tài)及擾動(dòng)的滑模控制方法 96
3.4.1 問題描述 96
3.4.2 控制器設(shè)計(jì)與穩(wěn)定性分析 98
3.4.3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析 106
3.5 同時(shí)考慮匹配與不匹配干擾的滑模控制方法 112
3.5.1 問題描述 112
3.5.2 非線性干擾觀測(cè)器的設(shè)計(jì) 114
3.5.3 控制器的設(shè)計(jì)與穩(wěn)定性分析 116
3.5.4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析 121
3.6 基于能量交換與釋放的無模型參數(shù)輸出反饋控制方法 127
3.6.1 能量交換及釋放 127
3.6.2 穩(wěn)定性分析 131
3.6.3 仿真、實(shí)驗(yàn)及分析 135
3.7 本章小結(jié) 141
參考文獻(xiàn) 142
第4章 具有執(zhí)行器飽和約束的三維吊車輸出反饋控制方法 145
4.1 引言 145
4.2 主要內(nèi)容 146
4.2.1 模型分析 146
4.2.2 能量整形 148
4.2.3 主要結(jié)果 151
4.2.4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析 154
4.3 本章小結(jié) 158
參考文獻(xiàn) 158
第5章 變繩長吊車非線性控制方法 161
5.1 引言 161
5.2 有界跟蹤消擺控制方法 163
5.2.1 問題描述 163
5.2.2 控制器設(shè)計(jì) 164
5.2.3 性能分析 166
5.2.4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析 170
5.3 自適應(yīng)非線性耦合控制方法 174
5.3.1 問題描述 174
5.3.2 控制器設(shè)計(jì) 176
5.3.3 性能分析 178
5.3.4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析 183
5.4 本章小結(jié) 189
參考文獻(xiàn) 189
第6章 雙擺橋式吊車控制 192
6.1 引言 192
6.2 帶有狀態(tài)約束的雙擺效應(yīng)吊車軌跡規(guī)劃 194
6.2.1 問題描述 194
6.2.2 主要結(jié)果 196
6.2.3 仿真與分析 200
6.3 基于高斯偽譜法的時(shí)間*優(yōu)軌跡規(guī)劃方法 202
6.3.1 軌跡規(guī)劃方法具體流程 202
6.3.2 仿真與實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析 207
6.4 考慮負(fù)載升降的雙擺吊車增強(qiáng)耦合自適應(yīng)控制 213
6.4.1 問題描述 213
6.4.2 控制器設(shè)計(jì)與穩(wěn)定性分析 214
6.4.3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果 220
6.5 本章小結(jié) 225
參考文獻(xiàn) 225
附錄A 227
附錄B 227
第7章 多吊繩及雙吊車協(xié)作控制 229
7.1 引言 229
7.2 多繩吊車控制 230
7.2.1 多繩吊車系統(tǒng)介紹 230
7.2.2 模型建立與分析 232
7.2.3 控制器設(shè)計(jì)與穩(wěn)定性分析 234
7.2.4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果 240
7.3 雙吊車自適應(yīng)輸出反饋控制 244
7.3.1 問題描述 244
7.3.2 控制器設(shè)計(jì) 248
7.3.3 穩(wěn)定性分析 252
7.3.4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果 256
7.4 雙吊車非線性協(xié)調(diào)控制 262
7.4.1 問題描述 262
7.4.2 模型的建立 264
7.4.3 控制器設(shè)計(jì)與穩(wěn)定性分析 266
7.4.4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果 271
7.5 本章小結(jié) 278
參考文獻(xiàn) 278
附錄A 279
附錄B 282
第8章 吊車制動(dòng)控制 285
8.1 引言 285
8.2 問題描述 286
8.3 緊急制動(dòng)控制器設(shè)計(jì)與分析 287
8.3.1 緊急制動(dòng)控制器設(shè)計(jì) 288
8.3.2 穩(wěn)定性分析 289
8.3.3 仿真結(jié)果及其分析 291
8.4 改進(jìn)的帶擺角反饋的緊急制動(dòng)控制方法設(shè)計(jì)及分析 293
8.4.1 控制方法設(shè)計(jì)過程 294
8.4.2 仿真與實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析 296
8.5 本章小結(jié) 303
參考文獻(xiàn) 303
第9章 船用吊車控制 305
9.1 引言 305
9.2 船用吊車控制 306
9.2.1 問題描述 306
9.2.2 控制器設(shè)計(jì)與穩(wěn)定性分析 309
9.2.3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果 313
9.3 考慮輸入飽和的船用吊車非線性協(xié)調(diào)控制 316
9.3.1 問題描述 316
9.3.2 控制器設(shè)計(jì)與穩(wěn)定性分析 319
9.3.3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析 322
9.4 本章小結(jié) 329
參考文獻(xiàn) 329
附錄 329
第10章 空中無人機(jī)吊運(yùn)控制 331
10.1 引言 331
10.2 空中四旋翼無人機(jī)吊運(yùn)系統(tǒng)的軌跡規(guī)劃 332
10.2.1 問題描述 332
10.2.2 軌跡規(guī)劃 335
10.2.3 軌跡規(guī)劃仿真結(jié)果與分析 337
10.3 空中四旋翼無人機(jī)吊運(yùn)系統(tǒng)的分層控制 338
10.3.1 問題描述 338
10.3.2 控制器設(shè)計(jì) 340
10.3.3 數(shù)值仿真和分析 343
10.4 本章小結(jié) 346
參考文獻(xiàn) 347
第11章 工業(yè)應(yīng)用 349
11.1 天津港集裝箱吊車應(yīng)用實(shí)例 349
11.1.1 輪胎式集裝箱吊車特性分析 349
11.1.2 防搖控制算法測(cè)試 352
11.1.3 安全制動(dòng)策略 354
11.2 天津起重設(shè)備有限公司應(yīng)用實(shí)例 356
11.2.1 自動(dòng)橋式吊車系統(tǒng)簡介 356
11.2.2 貨物自動(dòng)識(shí)別與運(yùn)送 358
11.2.3 自動(dòng)控制過程與人工操作的對(duì)比 360
11.2.4 系統(tǒng)性能指標(biāo)性測(cè)試 361
前言
第1章 緒論 1
1.1 欠驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)介紹 1
1.1.1 欠驅(qū)動(dòng)機(jī)器人系統(tǒng) 2
1.1.2 基準(zhǔn)系統(tǒng) 3
1.1.3 其他欠驅(qū)動(dòng)系統(tǒng) 4
1.2 典型吊運(yùn)系統(tǒng) 4
1.2.1 陸地吊運(yùn)系統(tǒng) 4
1.2.2 海上船用吊運(yùn)系統(tǒng) 8
1.2.3 空中無人機(jī)吊運(yùn)系統(tǒng) 9
1.3 本書主要內(nèi)容 10
參考文獻(xiàn) 13
第2章 二維橋式吊車軌跡規(guī)劃方法 16
2.1 引言 16
2.2 基于相平面幾何分析的解析軌跡規(guī)劃方法 18
2.2.1 問題描述 18
2.2.2 基于相平面幾何分析的軌跡規(guī)劃 22
2.2.3 仿真、實(shí)驗(yàn)及分析 32
2.3 基于非線性耦合分析的在線軌跡規(guī)劃方法 42
2.3.1 在線軌跡規(guī)劃框架 42
2.3.2 軌跡規(guī)劃及性能分析 43
2.3.3 仿真、實(shí)驗(yàn)及分析 47
2.4 B樣條時(shí)間*優(yōu)軌跡規(guī)劃方法 50
2.4.1 時(shí)間*優(yōu)軌跡規(guī)劃 51
2.4.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果 59
2.5 本章小結(jié) 61
參考文獻(xiàn) 62
第3章 二維橋式吊車非線性控制 65
3.1 引言 65
3.2 基于負(fù)載廣義運(yùn)動(dòng)的調(diào)節(jié)控制方法 69
3.2.1 動(dòng)力學(xué)模型分析 69
3.2.2 儲(chǔ)能函數(shù)構(gòu)造 70
3.2.3 控制器設(shè)計(jì)與穩(wěn)定性分析 73
3.2.4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析 76
3.3 基于負(fù)載廣義運(yùn)動(dòng)的軌跡跟蹤控制方法 84
3.3.1 模型變換及分析 84
3.3.2 控制器設(shè)計(jì)及分析 85
3.3.3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析 91
3.4 考慮未建模動(dòng)態(tài)及擾動(dòng)的滑模控制方法 96
3.4.1 問題描述 96
3.4.2 控制器設(shè)計(jì)與穩(wěn)定性分析 98
3.4.3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析 106
3.5 同時(shí)考慮匹配與不匹配干擾的滑模控制方法 112
3.5.1 問題描述 112
3.5.2 非線性干擾觀測(cè)器的設(shè)計(jì) 114
3.5.3 控制器的設(shè)計(jì)與穩(wěn)定性分析 116
3.5.4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析 121
3.6 基于能量交換與釋放的無模型參數(shù)輸出反饋控制方法 127
3.6.1 能量交換及釋放 127
3.6.2 穩(wěn)定性分析 131
3.6.3 仿真、實(shí)驗(yàn)及分析 135
3.7 本章小結(jié) 141
參考文獻(xiàn) 142
第4章 具有執(zhí)行器飽和約束的三維吊車輸出反饋控制方法 145
4.1 引言 145
4.2 主要內(nèi)容 146
4.2.1 模型分析 146
4.2.2 能量整形 148
4.2.3 主要結(jié)果 151
4.2.4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析 154
4.3 本章小結(jié) 158
參考文獻(xiàn) 158
第5章 變繩長吊車非線性控制方法 161
5.1 引言 161
5.2 有界跟蹤消擺控制方法 163
5.2.1 問題描述 163
5.2.2 控制器設(shè)計(jì) 164
5.2.3 性能分析 166
5.2.4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析 170
5.3 自適應(yīng)非線性耦合控制方法 174
5.3.1 問題描述 174
5.3.2 控制器設(shè)計(jì) 176
5.3.3 性能分析 178
5.3.4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析 183
5.4 本章小結(jié) 189
參考文獻(xiàn) 189
第6章 雙擺橋式吊車控制 192
6.1 引言 192
6.2 帶有狀態(tài)約束的雙擺效應(yīng)吊車軌跡規(guī)劃 194
6.2.1 問題描述 194
6.2.2 主要結(jié)果 196
6.2.3 仿真與分析 200
6.3 基于高斯偽譜法的時(shí)間*優(yōu)軌跡規(guī)劃方法 202
6.3.1 軌跡規(guī)劃方法具體流程 202
6.3.2 仿真與實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析 207
6.4 考慮負(fù)載升降的雙擺吊車增強(qiáng)耦合自適應(yīng)控制 213
6.4.1 問題描述 213
6.4.2 控制器設(shè)計(jì)與穩(wěn)定性分析 214
6.4.3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果 220
6.5 本章小結(jié) 225
參考文獻(xiàn) 225
附錄A 227
附錄B 227
第7章 多吊繩及雙吊車協(xié)作控制 229
7.1 引言 229
7.2 多繩吊車控制 230
7.2.1 多繩吊車系統(tǒng)介紹 230
7.2.2 模型建立與分析 232
7.2.3 控制器設(shè)計(jì)與穩(wěn)定性分析 234
7.2.4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果 240
7.3 雙吊車自適應(yīng)輸出反饋控制 244
7.3.1 問題描述 244
7.3.2 控制器設(shè)計(jì) 248
7.3.3 穩(wěn)定性分析 252
7.3.4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果 256
7.4 雙吊車非線性協(xié)調(diào)控制 262
7.4.1 問題描述 262
7.4.2 模型的建立 264
7.4.3 控制器設(shè)計(jì)與穩(wěn)定性分析 266
7.4.4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果 271
7.5 本章小結(jié) 278
參考文獻(xiàn) 278
附錄A 279
附錄B 282
第8章 吊車制動(dòng)控制 285
8.1 引言 285
8.2 問題描述 286
8.3 緊急制動(dòng)控制器設(shè)計(jì)與分析 287
8.3.1 緊急制動(dòng)控制器設(shè)計(jì) 288
8.3.2 穩(wěn)定性分析 289
8.3.3 仿真結(jié)果及其分析 291
8.4 改進(jìn)的帶擺角反饋的緊急制動(dòng)控制方法設(shè)計(jì)及分析 293
8.4.1 控制方法設(shè)計(jì)過程 294
8.4.2 仿真與實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析 296
8.5 本章小結(jié) 303
參考文獻(xiàn) 303
第9章 船用吊車控制 305
9.1 引言 305
9.2 船用吊車控制 306
9.2.1 問題描述 306
9.2.2 控制器設(shè)計(jì)與穩(wěn)定性分析 309
9.2.3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果 313
9.3 考慮輸入飽和的船用吊車非線性協(xié)調(diào)控制 316
9.3.1 問題描述 316
9.3.2 控制器設(shè)計(jì)與穩(wěn)定性分析 319
9.3.3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析 322
9.4 本章小結(jié) 329
參考文獻(xiàn) 329
附錄 329
第10章 空中無人機(jī)吊運(yùn)控制 331
10.1 引言 331
10.2 空中四旋翼無人機(jī)吊運(yùn)系統(tǒng)的軌跡規(guī)劃 332
10.2.1 問題描述 332
10.2.2 軌跡規(guī)劃 335
10.2.3 軌跡規(guī)劃仿真結(jié)果與分析 337
10.3 空中四旋翼無人機(jī)吊運(yùn)系統(tǒng)的分層控制 338
10.3.1 問題描述 338
10.3.2 控制器設(shè)計(jì) 340
10.3.3 數(shù)值仿真和分析 343
10.4 本章小結(jié) 346
參考文獻(xiàn) 347
第11章 工業(yè)應(yīng)用 349
11.1 天津港集裝箱吊車應(yīng)用實(shí)例 349
11.1.1 輪胎式集裝箱吊車特性分析 349
11.1.2 防搖控制算法測(cè)試 352
11.1.3 安全制動(dòng)策略 354
11.2 天津起重設(shè)備有限公司應(yīng)用實(shí)例 356
11.2.1 自動(dòng)橋式吊車系統(tǒng)簡介 356
11.2.2 貨物自動(dòng)識(shí)別與運(yùn)送 358
11.2.3 自動(dòng)控制過程與人工操作的對(duì)比 360
11.2.4 系統(tǒng)性能指標(biāo)性測(cè)試 361
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機(jī)電系統(tǒng)自動(dòng)控制 節(jié)選
第1章 緒論 1.1 欠驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)介紹 欠驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)[1]是一類常見的機(jī)電系統(tǒng)，在生產(chǎn)生活中均有著廣泛的應(yīng)用。和全驅(qū)動(dòng)（fully-actuated）系統(tǒng)相比，欠驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)一般具有結(jié)構(gòu)簡單、成本低廉、自由度高等優(yōu)勢(shì)，但同時(shí)，由于系統(tǒng)的欠驅(qū)動(dòng)特性，其控制難度一般遠(yuǎn)高于全驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，是當(dāng)前控制領(lǐng)域研究的主要熱點(diǎn)之一。簡單來說，如果一個(gè)系統(tǒng)的控制輸入維度少于其系統(tǒng)自由度維數(shù)，則該系統(tǒng)即為欠驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)。在實(shí)際工程中廣泛應(yīng)用的許多機(jī)電系統(tǒng)都是標(biāo)準(zhǔn)的欠驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，除人造機(jī)器外，大自然中絕大多數(shù)生物在運(yùn)動(dòng)時(shí)也是欠驅(qū)動(dòng)的，如在空中飛的鳥，在水中游的魚。一個(gè)更加直觀的例子是人的手指，通過一根筋來控制三個(gè)關(guān)節(jié)的運(yùn)動(dòng)。以下，我們給出欠驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的嚴(yán)格數(shù)學(xué)定義。 定義1.1 （欠驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)）[1]考慮如下系統(tǒng)： （1.1） 式中， 表示相互獨(dú)立的廣義坐標(biāo)狀態(tài)向量； 為表征系統(tǒng)動(dòng)態(tài)的向量場(chǎng)（vector field）； 表示廣義速度向量； 為輸入矩陣； 則代表廣義力向量。 的維數(shù)定義為系統(tǒng)（1.1）的自由度。若 ，則稱系統(tǒng)（1.1）為欠驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)。 總體來說，導(dǎo)致系統(tǒng)欠驅(qū)動(dòng)的原因主要有以下幾點(diǎn)：①系統(tǒng)受制于非完整約束，本質(zhì)為欠驅(qū)動(dòng)[2]，如移動(dòng)機(jī)器人[3]、非完整移動(dòng)操作臂[4， 5]、船舶等[6]；②全驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的部分執(zhí)行器出現(xiàn)故障，退化為欠驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)[7]；③為節(jié)約成本、降低結(jié)構(gòu)復(fù)雜度或減輕重量，而省去部分執(zhí)行機(jī)構(gòu)[8]，如各類吊車系統(tǒng)[9]；④為研究現(xiàn)實(shí)中一些復(fù)雜的運(yùn)動(dòng)，如人的直立行走、體操運(yùn)動(dòng)員的動(dòng)作等，同時(shí)也為了測(cè)試并驗(yàn)證先進(jìn)的非線性控制理論，而開發(fā)的基準(zhǔn)（benchmark）系統(tǒng)，如各種倒立擺[10-12]、球桿系統(tǒng)[13-15]、平面機(jī)械臂與無驅(qū)動(dòng)彈簧-振子碰撞系統(tǒng)[16， 17]等；⑤根據(jù)仿生學(xué)，模擬動(dòng)物運(yùn)動(dòng)而開發(fā)的智能機(jī)器人，如雙足機(jī)器人[18]、四足機(jī)器人[19]、機(jī)器魚[20]、機(jī)器鳥[21]等。 相比全驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，欠驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)具有機(jī)械結(jié)構(gòu)簡單、成本低、能耗小、重量輕等諸多優(yōu)點(diǎn)。簡單的結(jié)構(gòu)節(jié)省了部分執(zhí)行器，可降低系統(tǒng)受損的可能性，且易于維護(hù)；低能耗則可節(jié)約資源，緩解能源問題；重量輕則便于運(yùn)輸，靈活性高，該優(yōu)勢(shì)在航空航天領(lǐng)域尤為突出。因此，這些優(yōu)點(diǎn)在工程領(lǐng)域有著非常重要的意義，使得欠驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的控制問題成為當(dāng)前機(jī)器人與自動(dòng)控制領(lǐng)域的熱點(diǎn)研究方向之一。接下來，將對(duì)幾種常見的欠驅(qū)動(dòng)機(jī)電系統(tǒng)進(jìn)行簡要的介紹。 1.1.1 欠驅(qū)動(dòng)機(jī)器人系統(tǒng) 非完整約束、執(zhí)行器失靈是導(dǎo)致機(jī)器人欠驅(qū)動(dòng)的主要原因。常見的欠驅(qū)動(dòng)機(jī)器人有多關(guān)節(jié)欠驅(qū)動(dòng)連桿機(jī)器人[22， 23]、移動(dòng)機(jī)器人[3]、無人機(jī)[24-27]等。 欠驅(qū)動(dòng)連桿機(jī)器人是指一類部分關(guān)節(jié)不可驅(qū)動(dòng)的特殊機(jī)械臂，其典型代表是Acrobot與Pendubot，它們均是由一個(gè)有驅(qū)（actuated）轉(zhuǎn)動(dòng)關(guān)節(jié)和一個(gè)無驅(qū)（unactuated）轉(zhuǎn)動(dòng)關(guān)節(jié)構(gòu)成的二自由度平面連桿機(jī)器人[22， 23]。兩者的主要區(qū)別在于，前者的肩關(guān)節(jié)（即**個(gè)關(guān)節(jié)）不可驅(qū)動(dòng)，肘關(guān)節(jié)（即第二個(gè)關(guān)節(jié)）可驅(qū)動(dòng)，而后者則正好相反。它們的控制目標(biāo)均為將兩個(gè)連桿從任意初始位姿鎮(zhèn)定到豎直向上的狀態(tài)。從結(jié)構(gòu)上看，Pendubot與二級(jí)倒立擺[28]之間具有一定的相似性：兩者均須利用兩個(gè)關(guān)節(jié)間的耦合關(guān)系來實(shí)現(xiàn)整個(gè)系統(tǒng)的鎮(zhèn)定控制；但它們又有著本質(zhì)區(qū)別：前者依賴**關(guān)節(jié)的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)實(shí)現(xiàn)控制目標(biāo)，而后者的搖起與平衡控制則通過調(diào)節(jié)小車的水平運(yùn)動(dòng)來完成。 移動(dòng)機(jī)器人是一種極為常見且應(yīng)用比較廣泛的欠驅(qū)動(dòng)機(jī)器人系統(tǒng)，目前已有許多移動(dòng)機(jī)器人系統(tǒng)應(yīng)用到工廠物料運(yùn)輸、災(zāi)后救援、家庭服務(wù)等場(chǎng)合。例如，市面上常見的掃地機(jī)器人即為一種簡單的移動(dòng)機(jī)器人系統(tǒng)；主流的家庭服務(wù)機(jī)器人也是基于移動(dòng)機(jī)器人進(jìn)行設(shè)計(jì)的；甚至是現(xiàn)階段發(fā)展迅速的無人車系統(tǒng)，也可以看作移動(dòng)機(jī)器人系統(tǒng)的擴(kuò)展。對(duì)于此類系統(tǒng)而言，其控制目標(biāo)包括兩部分，即機(jī)器人系統(tǒng)的精確定位，以及調(diào)節(jié)機(jī)器人姿態(tài)至其目標(biāo)狀態(tài)。對(duì)于在同一平面（水平面）內(nèi)運(yùn)動(dòng)的移動(dòng)機(jī)器人而言，它具有一個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)自由度與兩個(gè)平動(dòng)自由度，而控制量則僅為兩維，即機(jī)器人的線速度與角速度，因此它是典型的欠驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)。該類系統(tǒng)存在速度層面上不可積分的運(yùn)動(dòng)學(xué)約束，即非完整約束[29]，其物理含義為移動(dòng)機(jī)器人無法直接側(cè)向運(yùn)動(dòng)，而僅能通過自身的轉(zhuǎn)動(dòng)及前后平動(dòng)移至側(cè)向的指定位置。 上述兩種機(jī)器人均受制于非完整約束，現(xiàn)實(shí)中也有一些具有完整約束的欠驅(qū)動(dòng)機(jī)器人，如膠囊機(jī)器人（Capsubot）[30， 31]。Capsubot是一種新型的自主移動(dòng)機(jī)器人，由于無須安裝額外的移動(dòng)裝置（如輪子），其體積可做得非常小，能夠進(jìn)入人類無法到達(dá)的區(qū)域進(jìn)行探索并返回相關(guān)信息，在醫(yī)療診斷、管道檢測(cè)、災(zāi)難救援等領(lǐng)域有著非常廣闊的應(yīng)用前景。一般而言，該系統(tǒng)由一個(gè)“膠囊殼”、一個(gè)可在“膠囊殼”內(nèi)前后運(yùn)動(dòng)的柱狀滑塊及驅(qū)動(dòng)裝置組成。滑塊可在驅(qū)動(dòng)裝置（如電磁線圈[30]或壓電陶瓷[31]）的作用下在“膠囊殼”內(nèi)運(yùn)動(dòng)，從而帶動(dòng)整個(gè)系統(tǒng)運(yùn)行至期望地點(diǎn)，完成特定的任務(wù)，與此同時(shí)，滑塊返回初始位置。由于系統(tǒng)受到非光滑動(dòng)態(tài)的影響，其控制問題極具挑戰(zhàn)性，近幾年得到了相關(guān)研究人員的大量關(guān)注。 隨著科技水平的發(fā)展與進(jìn)步，無人機(jī)系統(tǒng)也在工業(yè)生產(chǎn)及日常生活中起到越來越大的作用。舉例而言，很大一部分的農(nóng)田農(nóng)藥噴灑已經(jīng)由人工完成改為無人機(jī)空中完成，這也會(huì)提高農(nóng)藥噴灑的效率且噴灑效果更好；航拍領(lǐng)域?qū)o人機(jī)的使用也已經(jīng)習(xí)以為常，通過無人機(jī)攜帶合適的傳感器以及相機(jī)可實(shí)現(xiàn)對(duì)未知場(chǎng)景的快速探測(cè)及建模；而在國防科技中，無人機(jī)可以部分代替常規(guī)的軍用戰(zhàn)機(jī)，實(shí)現(xiàn)偵察和簡單的打擊作用，并能有效地避免己方人員傷亡。對(duì)無人機(jī)系統(tǒng)而言，其待控的狀態(tài)量一般包括六個(gè)，即空間下的三維坐標(biāo)以及相應(yīng)的三個(gè)姿態(tài)角。而就*常用的四旋翼直升機(jī)而言，其控制輸入僅為四個(gè)旋翼的輸入電壓，顯而易見，此類系統(tǒng)為典型的欠驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)。 1.1.2 基準(zhǔn)系統(tǒng) 許多實(shí)際物理系統(tǒng)的主要運(yùn)動(dòng)特性都可由基準(zhǔn)系統(tǒng)表征，如運(yùn)動(dòng)員的單杠體操動(dòng)作，可近似看作Acrobot的搖起與平衡運(yùn)動(dòng)。對(duì)基準(zhǔn)系統(tǒng)進(jìn)行研究，不僅能幫助人們把握現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)復(fù)雜運(yùn)動(dòng)的主要特性，還可驗(yàn)證新型的非線性控制方法。常見的欠驅(qū)動(dòng)基準(zhǔn)系統(tǒng)包括倒立擺[10-12]、球桿/板系統(tǒng)[13-15， 32， 33]、旋轉(zhuǎn)激勵(lì)的平移振蕩器（translational oscillations with a rotational actuator，TORA）系統(tǒng)[34]、慣性輪擺系統(tǒng)[35]等。 倒立擺是一種*常見的基準(zhǔn)系統(tǒng)，其結(jié)構(gòu)多種多樣，主要包括平面倒立擺[10]、三維倒立擺[11]、旋轉(zhuǎn)倒立擺（Furuta擺）[12]、輪式倒立擺[36， 37]等。對(duì)于系統(tǒng)包含不止一個(gè)擺的情形，當(dāng)n個(gè)擺以串聯(lián)的形式連于同一個(gè)樞軸上時(shí)，稱為n級(jí)倒立擺[28， 38]；當(dāng)它們通過多個(gè)樞軸平行連接時(shí)，則稱為平行倒立擺[39]。就目前而言，倒立擺的控制問題研究可大致分為兩類。**類問題是將擺由初始豎直向下的位置搖起到豎直向上的位置，隨后使之保持平衡。該任務(wù)通常通過兩步完成，即首先設(shè)計(jì)一個(gè)合適的控制器將擺搖起至平衡點(diǎn)附近較小的鄰域內(nèi)，然后切換至線性控制器將系統(tǒng)狀態(tài)鎮(zhèn)定至平衡點(diǎn)[40]。第二類則考慮當(dāng)擺的初始位置處于上半平面時(shí)，如何直接設(shè)計(jì)有效的非線性控制策略使閉環(huán)系統(tǒng)的平衡點(diǎn)漸近穩(wěn)定，同時(shí)使吸引域盡可能大。 球桿系統(tǒng)由一根繞固定支點(diǎn)轉(zhuǎn)動(dòng)的連桿與一個(gè)在連桿上滑/滾動(dòng)的小球組成。常見的球桿系統(tǒng)可大致分為兩類。**類的支點(diǎn)處有電機(jī)驅(qū)動(dòng)連桿轉(zhuǎn)動(dòng)，而小球則沿著連桿自由地運(yùn)動(dòng)，其控制目標(biāo)是通過控制連桿轉(zhuǎn)動(dòng)，將小球從初始位置移動(dòng)至目標(biāo)點(diǎn)處[13-15]。第二類則與**類相反，借助有驅(qū)的小球運(yùn)動(dòng)來調(diào)節(jié)無驅(qū)的連桿轉(zhuǎn)動(dòng)，以達(dá)到期望的姿態(tài)[32]。除此之外，研究人員還開發(fā)了結(jié)構(gòu)更復(fù)雜的球板（ball and plate）系統(tǒng)[33]，用平板替代連桿控制小球在二維平面內(nèi)的運(yùn)動(dòng)。 TORA系統(tǒng)*早由密歇根大學(xué)安娜堡分校（University of Michigan，Ann Arbor）的Bupp等提出，作為雙自旋航天器（dual spin spacecraft）的簡化模型用于控制研究[35]。該系統(tǒng)由一個(gè)有驅(qū)的偏心輪和一個(gè)無驅(qū)的平移振蕩器兩部分組成，通過偏心輪的旋轉(zhuǎn)來控制振蕩器的平動(dòng)。一般而言，其控制目標(biāo)是構(gòu)造合適的控制律，在系統(tǒng)遭受外界干擾的情況下，使振蕩器運(yùn)動(dòng)至期望位置處。 慣性輪擺系統(tǒng)由一個(gè)可驅(qū)動(dòng)慣性輪和一個(gè)不可驅(qū)動(dòng)的擺組成，與Acrobot類似，其任務(wù)是通過調(diào)整慣性輪的轉(zhuǎn)動(dòng)，將擺搖起至豎直向上的狀態(tài)[34， 41]。有意思的是，有異于前面提及的幾種欠驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，慣性輪擺系統(tǒng)的慣量矩陣為常數(shù)矩陣。 1.1.3 其他欠驅(qū)動(dòng)系統(tǒng) 除上述應(yīng)用實(shí)例之外，欠驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)在航空、航天、航海、仿生學(xué)等領(lǐng)域也發(fā)揮著重大的作用，如水面船舶[6， 42]、水下航行器（如潛艇）[43]、雙足機(jī)器人[18]、四足機(jī)器人[19]、機(jī)器魚[20]、機(jī)器鳥[21]等，它們?cè)谲娛潞兔裼妙I(lǐng)域扮演著越來越重要的角色。 1.2 典型吊運(yùn)系統(tǒng) 隨著經(jīng)濟(jì)的進(jìn)步，運(yùn)輸業(yè)、制造業(yè)等行業(yè)飛速發(fā)展。為提高工業(yè)產(chǎn)品的生產(chǎn)以及運(yùn)輸效率，獲得更好的經(jīng)濟(jì)效益，各行各業(yè)對(duì)運(yùn)輸工具的精度與效率要求越來越高。作為典型的欠驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，各類吊運(yùn)（吊車）系統(tǒng)作為常用的運(yùn)輸工具，在國民經(jīng)濟(jì)發(fā)展中起到越來越重要的作用。接下來，根據(jù)吊運(yùn)系統(tǒng)的不同工作場(chǎng)合及用途，將其劃分為陸地吊運(yùn)系統(tǒng)、海上船用吊運(yùn)系統(tǒng)、空中無人機(jī)吊運(yùn)系統(tǒng)三類，并進(jìn)行簡要介紹。 1.2.1 陸地吊運(yùn)系統(tǒng) 1. 單擺吊車系統(tǒng) 對(duì)于陸地吊車系統(tǒng)而言，按照機(jī)械結(jié)構(gòu)的不同，常見的吊車系統(tǒng)主要有三大類，即橋式吊車（overhead crane）系統(tǒng)、塔式吊車（tower crane）系統(tǒng)以及回轉(zhuǎn)懸臂式吊車（rotary crane）系統(tǒng)，如圖1.1所示。這三種系統(tǒng)的工作特性各有千秋，適用的場(chǎng)景也不盡相同。分析其具體的機(jī)械結(jié)構(gòu)，可以看出這些吊車系統(tǒng)有著如下的共性，即所運(yùn)送貨物均通過吊鉤和吊繩等結(jié)構(gòu)，與各自系統(tǒng)中的臺(tái)車或者懸臂進(jìn)行連接。這種設(shè)計(jì)可以簡化系統(tǒng)的機(jī)械結(jié)構(gòu)，同時(shí)節(jié)省成本，增大系統(tǒng)工作空間。但與此同時(shí)，由于缺乏對(duì)所運(yùn)送貨物的直接控制，此類結(jié)構(gòu)也提高了運(yùn)送過程中精確控制貨物運(yùn)動(dòng)的難度，并導(dǎo)致吊車系統(tǒng)均具有欠驅(qū)動(dòng)特性，是典型的欠驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，極大地提高了系統(tǒng)的控制難度。 圖1.1 橋式吊車系統(tǒng)、塔式吊車系統(tǒng)和回轉(zhuǎn)懸臂式吊車系統(tǒng) 常見的吊車系統(tǒng)中，橋式吊車系統(tǒng)是*常見也是應(yīng)用*廣泛的，物流倉庫、港口碼頭、建筑工地、工業(yè)生產(chǎn)線等各種場(chǎng)景都可以見到橋式吊車的身影，具體如圖1.2所示。對(duì)于吊車系統(tǒng)而言，其控制目標(biāo)可以表述如下：通過向臺(tái)車/桅桿驅(qū)動(dòng)電機(jī)輸入合適的控制信號(hào)，驅(qū)動(dòng)臺(tái)車/桅桿運(yùn)動(dòng)，帶動(dòng)所運(yùn)送負(fù)載由初始位置至其目標(biāo)位置；同時(shí)在運(yùn)送的過程中和運(yùn)送結(jié)束后，對(duì)負(fù)載擺動(dòng)進(jìn)行有效抑制，以方便進(jìn)一步的工業(yè)操作，同時(shí)降低安全風(fēng)險(xiǎn)。然而，由于吊車系統(tǒng)的機(jī)械結(jié)構(gòu)導(dǎo)致欠驅(qū)動(dòng)特性，無法直接控制負(fù)載的運(yùn)動(dòng)，同時(shí)負(fù)載擺動(dòng)與臺(tái)車/桅桿運(yùn)動(dòng)之間存在著較強(qiáng)的耦合關(guān)系，且系統(tǒng)工作過程中易受到未知的外界干擾影響，這均導(dǎo)致該系統(tǒng)的控制難度極大，較好的負(fù)載運(yùn)送效果難以實(shí)現(xiàn)。因此，深入研究吊車系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)特性，為其設(shè)計(jì)合適的自動(dòng)控制策略，具有十分重要的意義。 圖1.2 常見的橋式吊車應(yīng)用場(chǎng)景 2. 雙擺吊車系統(tǒng) 橋式吊車作為欠驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的典型代表，在過去數(shù)十年中被國內(nèi)外大量學(xué)者廣泛研究，并且已經(jīng)取得了豐碩的研究成果。在大多數(shù)情況下，為了便于分析，橋式吊車被建模為通過吊繩懸掛在移動(dòng)臺(tái)車上的質(zhì)點(diǎn)（類似于單擺）。然而，在實(shí)際應(yīng)用中，負(fù)載一般直接連接到吊鉤上，吊鉤則由起重纜繩懸掛。因此，當(dāng)?shù)蹉^的質(zhì)量不可忽略或負(fù)載的體積太大以致其與吊鉤的距離不可忽略時(shí)（圖1.3），吊車系統(tǒng)將呈現(xiàn)雙級(jí)擺效應(yīng)，即吊鉤相對(duì)于臺(tái)
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