论文摘要：欠驱动控制问题实验研究

    欠驱动机械系统是指外部控制输入数目少于系统的自由度数量的一类系统。欠驱动系统控制问题具有重要的理论和实际研究意义，输入的缺失使得其控制问题成为了一个具有挑战性的研究热点。同时输入的缺失也减轻了系统的重量，更加适合应用在实际工程中。

    倒立摆系统是研究欠驱动系统的基准系统，对倒立摆系统的研究一直以来也是许多研究学者研究欠驱动系统的重要平台。倒立摆系统是一个严重非线性、强耦合、自然不稳定的多变量系统，具有重要的研究价值，因此本文也将倒立摆系统作为研究欠驱动系统的实验对象。

    本文首先建立了欠驱动机械系统的动态数学模型，并分析了该模型的结构特性、可积性、可控性、耦合特性以及系统中存在的约束，并给出了判断系统是否可控的方法。其中重点研究了欠驱动系统的耦合特性，定义了耦合指标。接着针对具体的研究对象——倒立摆系统，进行了相应的欠驱动特性分析，其中重点分析了直线倒立摆的欠驱动特性。

    接着针对倒立摆的非线性特点，使用MATLAB的SimMechanics模块集搭建了直线倒立摆系统的非线性仿真模型，并考虑到实物控制中存在电机，建立了直线倒立摆的广义模型，使仿真模型更加接近实物，从而使实物控制更加有效。

    针对直线倒立摆系统，研究了四种控制算法。首先使用LQR控制算法对一级和二级直线倒立摆设计了控制器并进行了仿真分析；其次结合模糊控制算法，研究了基于变量融合的模糊控制算法，有效解决了“规则爆炸”问题；针对倒立摆系统的欠驱动特性，探讨了分层模糊控制算法；最后基于变结构控制理论，研究了自适应神经滑模控制算法。

     最后，利用MATLAB的RTW工具，使用运动控制卡PCI1020和PCI1711数据采集卡实现了直线倒立摆系统的实时控制，检验了控制器的控制效果。

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