本文選題：板球系統(tǒng)　切入點(diǎn)：非線性　出處：《北京理工大學(xué)》2016年碩士論文

【摘要】：板球系統(tǒng)由二維的板和在板上滾動(dòng)的小球組成,小球在重力的作用下在板上滾動(dòng)。本文針對(duì)搭建的三自由度并聯(lián)機(jī)構(gòu)板球系統(tǒng)進(jìn)行分析,開展了基于自抗擾的板球系統(tǒng)的控制研究,并通過仿真和實(shí)物驗(yàn)證了控制算法的有效性。首先對(duì)小球在板上的運(yùn)動(dòng)過程進(jìn)行了分析,明確了小球在板上滾動(dòng)的條件,并建立了小球在板上滾動(dòng)的數(shù)學(xué)模型。本論文所研究板球系統(tǒng)的執(zhí)行機(jī)構(gòu)是由三臺(tái)直線電機(jī)構(gòu)成的三自由度并聯(lián)機(jī)構(gòu)。本文針對(duì)三自由度并聯(lián)機(jī)構(gòu)的耦合,運(yùn)用幾何關(guān)系解耦,確定了動(dòng)平臺(tái)上板的姿態(tài)與直線電機(jī)伸長量之間的關(guān)系,由此設(shè)計(jì)了通過控制直線電機(jī)控制板的姿態(tài),進(jìn)而控制小球的運(yùn)動(dòng)的方案。之后對(duì)電機(jī)及驅(qū)動(dòng)器模型進(jìn)行分析和辨識(shí),并進(jìn)一步建立了板球系統(tǒng)的整體模型。然后對(duì)板球系統(tǒng)中存在的不確定性擾動(dòng)、板與球間的摩擦力以及向心力項(xiàng)和耦合項(xiàng)進(jìn)行了分析,并設(shè)計(jì)了擴(kuò)張狀態(tài)觀測器將其作為總擾動(dòng)的一部分進(jìn)行估計(jì)和補(bǔ)償,用自抗擾控制器實(shí)現(xiàn)小球的軌跡跟蹤,并進(jìn)行了仿真。之后針對(duì)采集小球的位置坐標(biāo)存在的量測噪聲,設(shè)計(jì)一階低通濾波器,并針對(duì)原系統(tǒng)和一階低通濾波器構(gòu)成的復(fù)合系統(tǒng)設(shè)計(jì)了含一階慣性環(huán)節(jié)的擴(kuò)張狀態(tài)觀測器;并對(duì)含一階慣性環(huán)節(jié)的擴(kuò)張狀態(tài)觀測器進(jìn)行了頻域分析。為了使板的角度在較小的范圍內(nèi)變化,將控制量引入性能指標(biāo),設(shè)計(jì)了線性二次型最優(yōu)控制器;結(jié)合自抗擾控制器可知,帶加速度前饋的自抗擾控制器也是線性二次型最優(yōu)控制器的一種形式。并對(duì)板球系統(tǒng)的定點(diǎn)控制和軌跡跟蹤控制進(jìn)行了仿真。最后完成實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的搭建、調(diào)試和控制軟件的編寫,并進(jìn)行定點(diǎn)實(shí)驗(yàn)和軌跡跟蹤實(shí)驗(yàn),驗(yàn)證了控制算法。針對(duì)實(shí)驗(yàn)中觀測器出現(xiàn)的Peaking現(xiàn)象,進(jìn)行了理論分析,提出了將擴(kuò)張狀態(tài)觀測器初始化使其初始狀態(tài)與實(shí)際狀態(tài)盡量一致的方案,克服了嚴(yán)重的Peaking現(xiàn)象,使控制精度達(dá)到了較高的水平。
[Abstract]:The cricket system consists of two dimensional plates and the ball rolling on the board. The ball rolls on the plate under the action of gravity. The control research of cricket system based on ADRC is carried out, and the effectiveness of the control algorithm is verified by simulation and real object. Firstly, the motion process of the ball on the board is analyzed, and the rolling condition of the ball on the board is determined. A mathematical model of the ball rolling on the plate is established. The actuator of the cricket system studied in this paper is a 3-DOF parallel mechanism composed of three linear motors. In this paper, the coupling of the three-degree-of-freedom parallel mechanism is decoupled by geometric relations. The relationship between the attitude of the plate on the moving platform and the elongation of the linear motor is determined. The scheme of controlling the motion of the ball by controlling the attitude of the control board of the linear motor is designed. Then the motor and driver models are analyzed and identified. Furthermore, the integral model of cricket system is established, and the uncertainty disturbance, friction between plate and ball, and the terms of centripetal force and coupling are analyzed. The extended state observer is designed to estimate and compensate it as part of the total disturbance, and the trajectory tracking of the ball is realized by the ADRC, and the simulation is carried out. Then, the measurement noise of the position coordinates of the acquired sphere is measured. The first order low pass filter is designed and the extended state observer with first order inertial link is designed for the composite system composed of the original system and the first order low pass filter. The extended state observer with first order inertial link is analyzed in frequency domain. In order to change the angle of the plate in a small range, the control quantity is introduced into the performance index, and the linear quadratic optimal controller is designed. Combined with active disturbance rejection controller, Auto-disturbance rejection controller with acceleration feedforward is also a form of linear quadratic optimal controller. The fixed-point control and trajectory tracking control of cricket system are simulated. The debugging and control software is written, and the fixed-point experiment and trajectory tracking experiment are carried out to verify the control algorithm. The Peaking phenomenon of the observer in the experiment is analyzed theoretically. A scheme is proposed to initialize the extended state observer so that its initial state is as consistent as possible with the actual state. The scheme overcomes the serious Peaking phenomenon and makes the control precision reach a higher level.
【學(xué)位授予單位】：北京理工大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2016
【分類號(hào)】：TP273

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本文編號(hào)：1676733