欠驱动系统

电能变换比例图
欠驱动电力电子系统概述 ——应用研究
有源滤波和无功补偿 ：
并联有源滤波器 并联有源滤波器
欠驱动电力电子系统概述 ——应用研究
统一电能质量控制 ：
并联有源滤波器 并联有源滤波器
欠驱动电力电子系统概述 ——应用研究
四象限交流电机驱动 ： M
四象限交流驱动结构拓扑
欠驱动电力电子系统概述 ——应用研究
I2
q1
L1, I1
惯性轮摆系统
欠驱动机械系统概述 ——BENCHMARK
q3 y
q2
q1
x
两驱动三连杆系统
欠驱动机械系统概述 ——BENCHMARK
x
M
ux
l ul m
吊车系统
欠驱动机械系统概述 ——BENCHMARK
x3 x2
m
l
a
F1 M
F2 x1
平面倒立摆系统
欠驱动机械系统概述 ——BENCHMARK
主要内容导航
欠驱动系统概述
欠驱动系统建模 欠驱动系统控制
结束语
欠驱动机械系统 欠驱动电力电子系统
欠驱动机械系统 欠驱动电力电子系统
欠驱动机械系统 欠驱动电力电子系统
欠驱动系统建模 ——建模基础
简单欠驱动机械系统可用牛顿经 典力学：
F ma
复杂欠驱动机械系统或者一般 情况下使用拉格朗日分析力学：
Y y
ML JL W
x
X
一阶柔性连杆机器人
欠驱动机械系统概述 ——
BENCHMARK
y
Y
X
水面舰船
2 (x, y)
1 x
移动机器人
欠驱动机械系统概述 ——BENCHMARK
u1
u2 y
u2
x
垂直升降飞行器
欠驱动机械系统概述 ——
BENCHMARK
T
W X Y Z
直升飞机
(x, R) g
仿人机械手
欠驱动机械系统概述
究
交通运输工具：
——应用研
JOE 机车
吊车
欠驱动机械系统概述 ——
BENCHMARK
y q2 m2l2
q1
L1
l1 m1l1 x
Acrobot
y q2 m2l2
q1
L1
l1
m1l1
x
Pendubot
欠驱动机械系统概述 ——
BENCHMARK
z
q2 m2 , l2 , I2
RL
Voltage source converter
Current source converter
欠驱动系统概述 ——欠驱动原因
系统的欠驱动特性是什么原因造成的？
系统的动力学（例如：航天器、宇宙飞船、直升飞机和 水下舰艇等）；
为了节省开支或者其它一些实用目的而设计的（例如： 两个推进器的卫星和柔性连杆机器人）；
欠驱动系统
----建模、仿真与控制
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欠驱动系统概述
欠驱动系统建模 欠驱动系统控制
结束语
欠驱动机械系统 欠驱动电力电子系统
欠驱动机械系统 欠驱动电力电子系统
欠驱动机械系统 欠驱动电力电子系统
欠驱动系统概述 ——一般定义
欠驱动系统 : 控制输入数目少于待控输出量数目 的控 制系统
例如：
x f (x,u)
d L L
( ) dt qk qk
Qk
欠驱动电力电子系统 基尔霍夫定理 ：
ik 0 uk 0
欠驱动电力电子系统使用拉格朗日分析力学 ：
d L L
( ) dt qk qk
Qk
欠驱动电力电子系统使用哈密尔顿力学 ：
q j
H p j
p
y
x
1 m n
x Rn,u Rm
其中：
欠驱动机械系统概述 ——发展简史
18世纪：欧拉和拉格朗日开始研究机械系统。 欧拉：刚体运动的基本方程；
拉格朗日：《分析力学》
欠驱动机械系统概述 ——发展简史
19世纪：瓦特发明蒸气机标志着机械控制系统的诞生。
欠驱动机械系统概述 ——发展简史
20世纪：欠驱动机械系统大量涌现。
Cúk converter
欠驱动电力电子系统概述 ——BENCHMARK
i
L1 u1=1
E
u1=0 C1
L2 u2 =1
u2= 0
C2
Sa
Sb
Sc
iL
ea
L ia R
eb
ib
R
o
ic
ec
C
v0
RL
Sa
Sb
Sc
ea
L ia
eb
ib
o
ic
ec
C
Sa
Sb
Sc
iL
Sa
Sb
Sc
Boost-boost converter
m2 , I2 , J2
q1
q2
F
y
x
q1
m1
m1, I1, J1
直线倒立摆系统
旋转倒立摆系统
欠驱动机械系统概述 ——BENCHMARK
m, I2
r
d q2
I1
q1
球棒系统
欠驱动机械系统概述 ——BENCHMARK
m1
r
k1
q2
I2 m2
q1
TORA
欠驱动机械系统概述 ——BENCHMARK
q2
欠驱动系统是一类特殊的非线性系统，对于该类系统研 究有助于研究一般非线性系统的控制问题。
欠驱动系统概述 ——严格定义
系统
q f (q, q) G(q)u
其中： q 是独立广义坐标的状态向量，
f (.) 是表示系统动力学的向量场，
q 是广义的速度向量， G 是输入矩阵，
u 是广义输入力。
该系统被称为是欠驱动的，如果其外部广义输入力不能够同 时在形态空间的所有方向产生加速度，即 rank(G) dim(q)
欠驱动机械系统概述 ——发展简史
21世纪：由于机械系统在现实生活中的广泛应用而使得机械系 统的控制成为热点
欠驱动机械系统概述 ——应用研究
航天航空：
人造卫星 直升飞机
运载火箭
欠驱动机械系统概述
究
海洋舰艇：
——应用研
舰船 气垫船
潜艇
欠驱动机械系统概述 ——应用研究
机器人技术：
机械臂 娱乐机器人
驱动失败（例如：水面舰船，航行器）；
为了深入研究高阶欠驱动系统的控制而人为的创造较为 复杂的低阶非线性系统(例如：两阶倒立摆和球棒系统)。
欠驱动系统概述 ——受重视原因
欠驱动系统的控制为何得到广泛的重视并成为热点？
欠驱动系统广泛存在于我们的工作生活中；
在实际工程中，如何用少于标准数目的执行器来控制系 统是一个有意义的尝试；
风力发电 ：
双馈电机风力涡轮系统
欠驱动电力电子系统概述 ——应用研究
超导储能 :
超导线圈
超导储能系统拓扑
欠驱动电力电子系统概述 ——BENCHMARK
i
u=0
L
u=1
E
C
R
L1
L2
i1
i2
u=1 u=0
C
R
u=1
u=0
E
C
R
L
i
Boost converter Buck-boost converter
欠驱动机械系统概述 ——BENCHMARK
3
3
R1 R2
x, R
各种仿生机器人
欠驱动机械系统概述 ——BENCHMARK
1
l y 2
x
蛇形板系统
欠驱动电力电子系统概述 ——发展简史
20世纪90年代以来，随着电力电子技术的发展，
MOSFET、IBGT等功率开关器件性能不断提高。
开关器件 变流装置