多剛體系統(tǒng)擴展層級建模與約束跟隨控制方法研究.pdf

1、伺服約束控制是指通過給系統(tǒng)提供一定約束力，使系統(tǒng)主動滿足約束條件的一種控制方法，是近年來多剛體系統(tǒng)控制領(lǐng)域的前沿課題之一。伺服約束方法不同于傳統(tǒng)約束問題借助系統(tǒng)結(jié)構(gòu)或外部環(huán)境來實現(xiàn)約束的方式，采用伺服控制來改變系統(tǒng)運動狀態(tài)并使之滿足既定約束條件，將約束實現(xiàn)從結(jié)構(gòu)設(shè)計問題轉(zhuǎn)換為控制問題——即約束跟隨控制。目前，對多剛體系統(tǒng)約束跟隨控制方法的研究還存在一些難點，主要包括：復(fù)雜多剛體系統(tǒng)的建模問題、模型不確定性的描述方法、帶有非線性和不確定性

2、系統(tǒng)的控制問題等。因此，本文探索了能夠獲取解析模型和提高建模效率的新方法，引入更實際和準確的不確定性描述方法，研究了在約束跟隨控制中通用的非線性魯棒控制方法及其優(yōu)化，論文完成的主要工作如下：
　　(1)利用Udwadia-Kalaba理論，對多剛體系統(tǒng)動力學建模方法進行了研究，提出了擴展的層級建模方法，解決了質(zhì)量矩陣奇異時多剛體系統(tǒng)模型無解的問題，以及外力模型與約束力模型耦合時的解耦問題，建立的多剛體系統(tǒng)動力學解析模型更適用于約束

3、跟隨控制；借助Udwadia-Kalaba理論，論證了Rosenberg非理想約束嵌入法的有效性，為擴展層級建模過程中采用嵌入法對非完整約束進行簡化提供了理論依據(jù)。
　　(2)基于自然約束條件的約束力模型，提出了一種多剛體系統(tǒng)的約束跟隨控制方法，實現(xiàn)對目標約束的跟隨控制；針對理想和非理想目標約束條件，設(shè)計了兩種自適應(yīng)魯棒控制器，保證了系統(tǒng)在不確定因素影響下的跟隨性能，即系統(tǒng)跟隨誤差有界；將非理想約束力模型作為控制器算法的一部分，對

4、系統(tǒng)的摩擦阻力進行補償控制；無需不確定因素的準確上界信息，僅需其取位范圍有界，利用自適應(yīng)參數(shù)對邊界信息進行在線估計，并根據(jù)估計的邊界值設(shè)計魯棒控制器增益；設(shè)計了帶有泄漏項和死區(qū)的控制算法，能夠減小控制系統(tǒng)成本、提高運行速度。
　　(3)從約束跟隨角度，對多剛體系統(tǒng)軌跡跟蹤控制進行了詮釋，將軌跡跟蹤誤差為零視為系統(tǒng)約束，提出了一種新的軌跡跟隨控制方法；利用目標軌跡構(gòu)造約束條件，通過對約束條件的跟隨來實現(xiàn)對目標軌跡的跟蹤；與傳統(tǒng)軌跡跟

5、蹤控制方法相比，該方法無需對系統(tǒng)進行線性化處理，控制器設(shè)計簡單，計算量小，適合在線控制。
　　(4)用模糊集合理論描述了多剛體系統(tǒng)不確定性，提出多剛體系統(tǒng)的約束跟隨控制及其優(yōu)化設(shè)計方法；設(shè)計了一個約束跟隨控制器，令系統(tǒng)在模型和約束均存在不確定性時仍具有有界性；與過去基于IF-THEN規(guī)則的模糊控制方法不同，該方法無需對系統(tǒng)模型進行局部線性化，可以令控制系統(tǒng)得到精確定義的性能指標；基于系統(tǒng)不確定性的模糊信息，建立了一個新的系統(tǒng)二次性

6、能指標，綜合考慮了系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)性能、瞬態(tài)性能和控制成本；提出了針對該二次性能指標的優(yōu)化設(shè)計目標，證明了該優(yōu)化目標函數(shù)全局解存在且唯一，給出了系統(tǒng)最優(yōu)性能指標和最優(yōu)解的解析表達式。
　　(5)以挖掘機器人為研究對象，首次將本文提出的擴展層級建模與約束跟隨控制方法應(yīng)用于挖掘機器人在挖掘過程中的軌跡跟蹤控制；采用本文提出的擴展層級建模方法建立了挖掘機器人的動力學解析模型，得到了挖掘工作阻力的解耦模型；以所建立的挖掘機器人系統(tǒng)動力學解析模型