板球系统是一种典型的欠驱动系统,其具有高阶、非线性、强耦合、开环不稳定等特性,几乎包含了复杂系统的所有特征,是控制理论研究的理想实验平台。执行机构饱和在实际的控制系统中是普遍存在的,因此所有控制系统的输入控制量是有限制的,板球系统也不例外。这些问题都为板球系统的控制带来了困难。本文在对板球系统的运动控制研究中,考虑到执行机构动态,根据直流电机的运动方程与齿轮传动知识,建立了伺服系统数学模型,并结合拉格朗日方程建立了伺服系统+“板—球”系统的一体化模型,使控制变量及其约束范围更为准确。针对系统中小球运动速度变量不可测的问题,本文在一体化模型简化的基础上设计了降维状态观测器,观测系统中无法检测的变量,为系统的控制带来了便利。为实现板球系统的定点控制和轨迹跟踪控制,对于非线性一体化模型,使用链式求导的方式设计了滑模控制器,实现了板球系统的稳定控制。为提高轨迹跟踪控制中系统达到稳态时的性能,根据控制目标,使用微分平坦技术求出了系统的前馈控制量,并建立轨迹跟踪偏差系统,通过滚动LQR控制算法求出了偏差系统的镇定控制量,实现了轨迹跟踪的精准控制。对于板球系统存在的输入受限问题,本文使用了径向基(RBF)神经网络逼近补偿输入饱和误差、利用线性矩阵不等式(LMI)在输入约束范围和变椭圆域内优化求解控制器两种方法,保证了板球系统的控制量在稳定运行时保持在输入受限范围内。文中所使用的两种控制算法均具有较强的轨迹跟踪性能和鲁棒性能,其中基于微分平坦的滚动LQR控制算法具有更高的控制精度和更好的稳态性能。