欠驱动机械系统是指系统自由度大于独立控制输入维数的非线性系统。欠驱动机械系统由于其质量轻、低能耗、成本低、结构简单等优点而被广泛应用于交通、冶金、国防和装备制造等各个领域。另外,当某些全驱动系统的部分驱动器失效时,可以将其视为欠驱动系统进行设计,以确保整个系统的正常运行。欠驱动系统通常具有复杂的动力学结构,且系统状态之间具备强耦合性或非完整约束而给系统控制增加了难度。尤其针对非最小相位欠驱动系统的轨迹跟踪控制,必须同时考虑输出的跟踪和内动态的稳定。此外,未建模动态及外部干扰等不确定性也给其控制设计带来了挑战。现存非线性系统的控制方法及理论,通常存在各自的局限性,如依赖系统模型、稳定性难以保证、鲁棒性差等。因此,针对欠驱动机械系统提出一种鲁棒性好、通用性强的无模型控制方法具备非常重要的理论意义及实际价值。本文针对具有模型不确定性的欠驱动系统,采用数据驱动的无模型算法,通过在线测量系统输入输出状态量估计系统模型,摆脱了控制设计对物理模型的依赖,另一方面结合反演控制算法,完成控制设计的同时,保证了闭环控制系统的跟踪稳定性。在此基础上,对基于无模型反演控制下的欠驱动闭环控制系统进行动力学分析,分析结果可用于控制设计的改进。本文主要工作内容如下:1、针对欠驱动系统的无模型反演控制(MFBSC)策略欠驱动机械系统具有诸多特点,如内部动力学特征复杂、缺少部分驱动、系统状态之间具有强耦合性以及非完整性约束特性等。在对其进行控制设计时普遍面临着许多难题,如系统欠驱动、状态耦合、依赖系统模型、算法鲁棒性差、控制设计过程复杂、系统稳定性难以证明等。本文针对欠驱动机械系统,采用坐标转换及加入伪控制系数的方法,得到欠驱动机械系统无模型反演控制设计的标准级联形式。在此基础上,基于Lyapunov稳定性,采用反演控制算法进行逆推设计,获得中间虚拟控制器和实际控制率,解决了欠驱动系统缺少部分驱动问题。其中,反演控制所需模型,通过测量系统输入输出数据在线估计获得,将欠驱动控制器的解耦问题转化为串联结构下的模型估计问题,在线估计同时解决了未建模动态和未知扰动带来的模型未知的难题。并以柔性尺为研究对象进行了数值仿真和物理实验,通过与LQR控制算法进行对比研究,验证了无模型反演控制算法的鲁棒性、有效性。2、针对非最小相位欠驱动系统的无模型反演控制策略研究非最小相位欠驱动机械系统指具有非稳定零动态的欠驱动系统,即系统内动态是不稳定的。针对此类系统进行控制器设计时,需要同时考虑系统的输出跟踪及内动态的稳定性。本文针对非最小相位欠驱动机械系统,将系统的输出跟踪误差与系统内动态的镇定误差相结合,组合成为系统Lyapunov函数,在同时保证系统输出跟踪收敛以及内动态稳定的前提下,设计虚拟控制器及控制率。分别以单级旋转倒立摆、线性二级倒立摆为研究对象进行了数值仿真和物理实验,通过与LQR控制方法进行对比研究,进一步验证了文章所提出算法具备较为鲁棒的控制效果及无模型、非线性的优势。3、针对无模型反演控制闭环系统的动力学分析欠驱动机械系统由于缺少部分驱动而呈现出复杂的动力学特征。目前常用的动力学分析方法通常基于系统的物理模型,一旦系统存在未建模动态、模型建模不准确等,通常将难以进行完整的动力学分析。而无模型反演控制方法的采用,为此类系统的动力学分析提供了可能性。本文基于无模型反演控制策略,对模型不确定的欠驱动闭环控制系统进行了动力学分析,通过绘制闭环控制系统分岔图和系统状态图分析了控制参数以及系统初值对欠驱动系统动力学行为的影响,确定了系统的稳定域,得到了控制器参数的选择范围,为控制器优化设计提供了重要依据。