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1、精選優(yōu)質(zhì)文檔-傾情為你奉上南京航空航天大學(xué)非線性系統(tǒng)控制大作業(yè)二階機(jī)械臂的非線性反饋設(shè)計(jì)姓 名: XXX學(xué) 號(hào): XXX專(zhuān) 業(yè): XXX2011年6月10日專(zhuān)心-專(zhuān)注-專(zhuān)業(yè)實(shí)驗(yàn)對(duì)象:二階機(jī)械臂的非線性反饋設(shè)計(jì)一 二階機(jī)械臂的動(dòng)力學(xué)控制模型圖1 模型在垂直平面內(nèi)的投影機(jī)械臂操作端的位置方程為(1)(2)上述方程的Jacobian矩陣為機(jī)械臂的動(dòng)力學(xué)方程為(3)其中,為總的驅(qū)動(dòng)力矩矢量,為轉(zhuǎn)動(dòng)角度矢量;為轉(zhuǎn)動(dòng)慣量矩陣,為Coriolis離心轉(zhuǎn)矩,為重力矢量。、的數(shù)學(xué)表達(dá)式如下:(4)(5)(6)其中定義狀態(tài)變量(7)設(shè)(8)則機(jī)械臂模型的狀態(tài)方程可以寫(xiě)成(9)系統(tǒng)輸出方程為(10)二 二階機(jī)械臂模
2、型線性化1)計(jì)算式(4)、(5)、(6)中各參數(shù)的值:,、。2)計(jì)算系統(tǒng)相對(duì)階:有上面的表達(dá)式可知,的后兩列全為0,的前兩行全為0(),因此同理,對(duì)輸出,有矩陣非奇異,故系統(tǒng)在某個(gè)的鄰域內(nèi),系統(tǒng)的相對(duì)階為。3)選擇變換坐標(biāo)為(11)4)將系統(tǒng)轉(zhuǎn)換為標(biāo)準(zhǔn)型(12)輸出為(13)5)利用狀態(tài)反饋陣使系統(tǒng)成為一個(gè)完全可控的線性系統(tǒng),令其中通過(guò)反饋和坐標(biāo)映射,系統(tǒng)可變?yōu)锽runovsky標(biāo)準(zhǔn)型即(14)記三 二階機(jī)械臂的最優(yōu)控制是Brunovsky標(biāo)準(zhǔn)型線性系統(tǒng)中的控制輸入,擬運(yùn)用LQR方法進(jìn)行求解,確定最優(yōu)控制律,使系統(tǒng)實(shí)際輸出盡可能逼近理想輸出。該問(wèn)題屬于無(wú)限時(shí)間、定常輸出跟蹤問(wèn)題。首先定義性能指
3、標(biāo)(15)式中,為、為的正定對(duì)稱(chēng)常數(shù)矩陣,為誤差輸出向量,是期望輸出。根據(jù)二次型最優(yōu)控制理論,可以知道當(dāng)性能指標(biāo)最小時(shí),輸入應(yīng)為其中,為常值伴隨向量,為正定矩陣,滿足如下Riccati方程(16)最優(yōu)控制信號(hào)依賴(lài)于狀態(tài)變量和Riccati方程的解,在靜態(tài)狀態(tài)變量下假設(shè)時(shí),可使系統(tǒng)的狀態(tài)趨近于0,是=0時(shí)的常值矩陣,在此種情況下,Riccati方程被簡(jiǎn)化為上式被稱(chēng)作Riccati Algebraic方程。取利用Matlab工具求解Riccati方程得則正定,滿足Riccati方程。利用Matlab進(jìn)行LQR求解,得而與求解Riccati方程所得結(jié)果一致。四 控制對(duì)象的MATLAB仿真在Simul
4、ink仿真環(huán)境下搭建完整控制系統(tǒng),如Error! Reference source not found.所示:圖2 Simulink仿真框圖選擇期望輸入信號(hào)為輸入信號(hào)給定的理想輸出軌跡線設(shè)定為長(zhǎng)半軸為0.7,短半軸為0.3,焦點(diǎn)在軸上的橢圓形軌跡。利用上面搭建的Simulink仿真圖運(yùn)行程序,可得到給定軌跡曲線、跟蹤軌跡曲線、誤差軌跡曲線。圖3 軌跡跟蹤曲線圖4 跟蹤誤差曲線圖3中青色粗線為期望軌跡,紅色帶方塊虛線為機(jī)械臂實(shí)際運(yùn)動(dòng)軌跡;圖4中紅色實(shí)線為方向跟蹤誤差,藍(lán)色點(diǎn)劃線為方向跟蹤誤差。由圖3、圖4的軌跡跟蹤曲線和跟蹤誤差曲線可以看出,實(shí)際輸出很接近理想輸出,而且在響應(yīng)速度上也很快。跟蹤誤
5、差曲線的幅值很小(平穩(wěn)運(yùn)行階段),能夠滿足性能指標(biāo)要求。因此,應(yīng)用上述控制方法可以達(dá)到很好的控制效果。五 實(shí)驗(yàn)感想實(shí)際生活生產(chǎn)中,所面臨的系統(tǒng)極少會(huì)是純粹的線性系統(tǒng),可以肯定地說(shuō),任何投入實(shí)際生產(chǎn)運(yùn)行的系統(tǒng)都會(huì)或多或少地具有非線性因素。所謂的線性系統(tǒng)只是為了研究對(duì)象的控制問(wèn)題所作的合理簡(jiǎn)化。因此,對(duì)非線性系統(tǒng)理論的了解和學(xué)習(xí),有助于培養(yǎng)正確的認(rèn)識(shí)觀,同時(shí)掌握一些實(shí)際有效的處理非線性問(wèn)題的方法。在本次大作業(yè)中,控制對(duì)象是具有很強(qiáng)非線性的二階機(jī)械臂。實(shí)驗(yàn)利用坐標(biāo)變換陣和非線性反饋陣,結(jié)合LQR最優(yōu)控制理論,實(shí)現(xiàn)了多輸入-多輸入系統(tǒng)的精確線性化,完成了對(duì)系統(tǒng)很好的控制效果,達(dá)到了最初的設(shè)定目標(biāo)。通過(guò)
6、本課程的學(xué)習(xí),對(duì)非線性系統(tǒng)有了進(jìn)一步深入的認(rèn)識(shí)和理解,掌握了反饋線性化、自適應(yīng)觀測(cè)器設(shè)計(jì)等內(nèi)容,能夠?qū)?jiǎn)單的非線性系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)際分析和控制律設(shè)計(jì)。這對(duì)我們以后課題的研究具有很大的促進(jìn)作用。另外,本課程為雙語(yǔ)教學(xué),在學(xué)習(xí)過(guò)程中,通過(guò)上課和查閱了相關(guān)英文文獻(xiàn),使自己的專(zhuān)業(yè)英語(yǔ)水平和專(zhuān)業(yè)知識(shí)都得到了提高。在課程教學(xué)中,姜老師除了講授課件知識(shí),還為我們拓展了很多很實(shí)用的知識(shí),比如對(duì)控制領(lǐng)域內(nèi)的重要學(xué)術(shù)會(huì)議、國(guó)內(nèi)外核心期刊和國(guó)內(nèi)外知名院士的介紹,使學(xué)生的學(xué)術(shù)科研和文獻(xiàn)查閱有了更強(qiáng)的目標(biāo)性,獲益良多?!痉抡娉绦蛞?jiàn)附件】附件/*alphax.m*/function a_out = a(u)x1=u(1); x
7、2=u(2); x3=u(3); x4=u(4);a_x1 = -125/*(74217*cos(x1)+*cos(x1)*cos(x2)-*cos(x1+x2)/(-sin(x1+x2)*cos(x1)+sin(x1)*cos(x1+x2)*(-54/125*cos(x1)-54/125*cos(x1+x2)*x3-54/125*cos(x1+x2)*x4)*x3+(-54/125*cos(x1+x2)*x3-54/125*cos(x1+x2)*x4)*x4+(-54/125*sin(x1)-54/125*sin(x1+x2)*(-/(-+*cos(x2)+*cos(x2)2)*(55663
8、/85248*sin(x2)*(x3*x4+1/2*x42)-77017/416*cos(x1)-88305/664*cos(x1+x2)+40992*(74217+*cos(x2)/(-+*cos(x2)+*cos(x2)2)*(-55663/70496*sin(x2)*x12-88305/664*cos(x1+x2)-54/125*sin(x1+x2)*(40992*(74217+*cos(x2)/(-+*cos(x2)+*cos(x2)2)*(55663/85248*sin(x2)*(x3*x4+1/2*x42)-77017/416*cos(x1)-88305/664*cos(x1+x2
9、)-*(54044+55663*cos(x2)/(-+*cos(x2)+*cos(x2)2)*(-55663/70496*sin(x2)*x12-88305/664*cos(x1+x2)-125/*(74217*sin(x1)+*sin(x1)*cos(x2)-*sin(x1+x2)/(-sin(x1+x2)*cos(x1)+sin(x1)*cos(x1+x2)*(-54/125*sin(x1)-54/125*sin(x1+x2)*x3-54/125*sin(x1+x2)*x4)*x3+(-54/125*sin(x1+x2)*x3-54/125*sin(x1+x2)*x4)*x4+(54/12
10、5*cos(x1)+54/125*cos(x1+x2)*(-/(-+*cos(x2)+*cos(x2)2)*(55663/85248*sin(x2)*(x3*x4+1/2*x42)-77017/416*cos(x1)-88305/664*cos(x1+x2)+40992*(74217+*cos(x2)/(-+*cos(x2)+*cos(x2)2)*(-55663/70496*sin(x2)*x12-88305/664*cos(x1+x2)+54/125*cos(x1+x2)*(40992*(74217+*cos(x2)/(-+*cos(x2)+*cos(x2)2)*(55663/85248*s
11、in(x2)*(x3*x4+1/2*x42)-77017/416*cos(x1)-88305/664*cos(x1+x2)-*(54044+55663*cos(x2)/(-+*cos(x2)+*cos(x2)2)*(-55663/70496*sin(x2)*x12-88305/664*cos(x1+x2);a_x2 = 125/*(-74217*cos(x1)+*cos(x1+x2)*cos(x2)/(-sin(x1+x2)*cos(x1)+sin(x1)*cos(x1+x2)*(-54/125*cos(x1)-54/125*cos(x1+x2)*x3-54/125*cos(x1+x2)*x4
12、)*x3+(-54/125*cos(x1+x2)*x3-54/125*cos(x1+x2)*x4)*x4+(-54/125*sin(x1)-54/125*sin(x1+x2)*(-/(-+*cos(x2)+*cos(x2)2)*(55663/85248*sin(x2)*(x3*x4+1/2*x42)-77017/416*cos(x1)-88305/664*cos(x1+x2)+40992*(74217+*cos(x2)/(-+*cos(x2)+*cos(x2)2)*(-55663/70496*sin(x2)*x12-88305/664*cos(x1+x2)-54/125*sin(x1+x2)*
13、(40992*(74217+*cos(x2)/(-+*cos(x2)+*cos(x2)2)*(55663/85248*sin(x2)*(x3*x4+1/2*x42)-77017/416*cos(x1)-88305/664*cos(x1+x2)-*(54044+55663*cos(x2)/(-+*cos(x2)+*cos(x2)2)*(-55663/70496*sin(x2)*x12-88305/664*cos(x1+x2)+125/*(-74217*sin(x1)+*sin(x1+x2)*cos(x2)/(-sin(x1+x2)*cos(x1)+sin(x1)*cos(x1+x2)*(-54/
14、125*sin(x1)-54/125*sin(x1+x2)*x3-54/125*sin(x1+x2)*x4)*x3+(-54/125*sin(x1+x2)*x3-54/125*sin(x1+x2)*x4)*x4+(54/125*cos(x1)+54/125*cos(x1+x2)*(-/(-+*cos(x2)+*cos(x2)2)*(55663/85248*sin(x2)*(x3*x4+1/2*x42)-77017/416*cos(x1)-88305/664*cos(x1+x2)+40992*(74217+*cos(x2)/(-+*cos(x2)+*cos(x2)2)*(-55663/70496
15、*sin(x2)*x12-88305/664*cos(x1+x2)+54/125*cos(x1+x2)*(40992*(74217+*cos(x2)/(-+*cos(x2)+*cos(x2)2)*(55663/85248*sin(x2)*(x3*x4+1/2*x42)-77017/416*cos(x1)-88305/664*cos(x1+x2)-*(54044+55663*cos(x2)/(-+*cos(x2)+*cos(x2)2)*(-55663/70496*sin(x2)*x12-88305/664*cos(x1+x2);a_out = a_x1;a_x2;/*betax.m*/funct
16、ion b_out = b(u)x1=u(1); x2=u(2);bx1=125/*(74217*cos(x1)+*cos(x1)*cos(x2)-*cos(x1+x2)/(-sin(x1+x2)*cos(x1)+sin(x1)*cos(x1+x2) ;bx2=125/*(74217*sin(x1)+*sin(x1)*cos(x2)-*sin(x1+x2)/(-sin(x1+x2)*cos(x1)+sin(x1)*cos(x1+x2);bx3=-125/*(-74217*cos(x1)+*cos(x1+x2)*cos(x2)/(-sin(x1+x2)*cos(x1)+sin(x1)*cos(x
17、1+x2);bx4=-125/*(-74217*sin(x1)+*sin(x1+x2)*cos(x2)/(-sin(x1+x2)*cos(x1)+sin(x1)*cos(x1+x2);b_out = bx1 ,bx2;bx3, bx4;/*hx.m*/function h_out = h(u)x1=u(1); x2=u(2);h_x = 54/125*cos(x1)+54/125*cos(x1+x2); 54/125*sin(x1)+54/125*sin(x1+x2);h_out = h_x;/*Gx.m*/function g_out = g(u)x2=u(2);g_x31= -/(-+*c
18、os(x2)+*cos(x2)2) ;g_x32=40992*(74217+*cos(x2)/(-+*cos(x2)+*cos(x2)2);g_x41=40992*(74217+*cos(x2)/(-+*cos(x2)+*cos(x2)2);g_x42= -*(54044+55663*cos(x2)/(-+*cos(x2)+*cos(x2)2);g_out = 0 0; 0 0; g_x31 g_x32; g_x41 g_x42 ;/*Fx.m*/function f_out = f(u)x1=u(1); x2=u(2); x3=u(3); x4=u(4);f_x = x3; x4; -/(-
19、+*cos(x2)+*cos(x2)2)*(55663/85248*sin(x2)*(x3*x4+1/2*x42)-77017/416*cos(x1)-88305/664*cos(x1+x2)+40992*(74217+*cos(x2)/(-+*cos(x2)+*cos(x2)2)*(-55663/70496*sin(x2)*x12-88305/664*cos(x1+x2); 40992*(74217+*cos(x2)/(-+*cos(x2)+*cos(x2)2)*(55663/85248*sin(x2)*(x3*x4+1/2*x42)-77017/416*cos(x1)-88305/664*
20、cos(x1+x2)-*(54044+55663*cos(x2)/(-+*cos(x2)+*cos(x2)2)*(-55663/70496*sin(x2)*x12-88305/664*cos(x1+x2);f_out = f_x;/*fai_out.m*/function fai_out = fai(u)x1=u(1); x2=u(2); x3=u(3); x4=u(4);fai_x = 54/125*cos(x1)+54/125*cos(x1+x2); (-54/125*sin(x1)-54/125*sin(x1+x2)*x3-54/125*sin(x1+x2)*x4; 54/125*sin
21、(x1)+54/125*sin(x1+x2); (54/125*cos(x1)+54/125*cos(x1+x2)*x3+54/125*cos(x1+x2)*x4 ;fai_out = fai_x;%系統(tǒng)線性化/*linearization.m*/M1=15.19; M2=11.36; L1=0.432; L2=0.432; g=9.81;syms x1 ; syms x2 ; syms x3 ; syms x4;a1=(1/3)*M1*L12+(1/3)*M2*L22+M2*L12;a2=M2*L1*L2;a3=(1/3)*M2*L22;a4=0.5*M1*g*L1+M2*g*L2;a5=0
22、.5*M2*g*L2;M_x= a1+a2*cos(x2) a3+a2*cos(x2); a3+a2*cos(x2) a3 ;N_x= -(a2*sin(x2)*(x3*x4+x42/2); (a2*sin(x2)*x12/2 ;G_x=a4*cos(x1)+a5*cos(x1+x2); a5*cos(x1+x2) ;D_x = M_x;E_x = -( N_x +G_x );D_xni = inv(D_x);f_x = x3; x4; D_xni*E_x;g_x = 0 0; 0 0; D_xni;h1_x = L1*cos(x1)+L2*cos(x1+x2);h2_x = L1*sin(x1)+L2*sin(x1+x2);h_x =h1_x; h2_x;Lgh1_x = diff(h1_x,x1) diff(h1_x,x2) d
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