虛擬未建模動(dòng)態(tài)驅(qū)動(dòng)的一類(lèi)欠驅(qū)動(dòng)機(jī)械臂的平衡控制方法.pdf

1、Pendubot作為典型的欠驅(qū)動(dòng)機(jī)械系統(tǒng)，是一種兩關(guān)節(jié)的平面欠驅(qū)動(dòng)機(jī)器人，具有單輸入兩輸出的特殊結(jié)構(gòu)。欠驅(qū)動(dòng)機(jī)械臂具有執(zhí)行機(jī)構(gòu)少、重量輕、成本低的優(yōu)點(diǎn)，使其在航空航天、空間機(jī)器人領(lǐng)域的應(yīng)用非常廣泛，具有很高的工業(yè)應(yīng)用價(jià)值。此外，欠驅(qū)動(dòng)機(jī)械臂的高階非線性特性，使得常規(guī)的線性控制器難以取得理想的控制效果，其獨(dú)特的欠驅(qū)動(dòng)特性，使得多變量解耦控制方法不再適用，一般的光滑非線性方法也無(wú)法滿足控制要求，具有很重要的理論研究?jī)r(jià)值。Pendubot的控

2、制不同于傳統(tǒng)的直線擺和旋轉(zhuǎn)擺，其線性化模型在各個(gè)工作點(diǎn)是不同的，具有更大的控制難度。Pendubot的控制算法研究主要有起擺控制、平衡控制和軌跡跟蹤，本文主要研究平衡控制，現(xiàn)有平衡控制方法主要存在以下幾個(gè)問(wèn)題:(1)控制器設(shè)計(jì)時(shí)沒(méi)有考慮摩擦力的影響，系統(tǒng)輸出存在穩(wěn)態(tài)誤差;(2)部分線性控制器基于精確的動(dòng)力學(xué)模型，系統(tǒng)模型參數(shù)發(fā)生變化時(shí)，控制效果差;(3)部分非線性智能控制算法較為復(fù)雜，難以從理論上保證系統(tǒng)的穩(wěn)定性，且僅停留在仿真階段。<

3、br>　　針對(duì)上述問(wèn)題，本文依托東北大學(xué)“985”工程流程工業(yè)綜合自動(dòng)化國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室科技創(chuàng)新平臺(tái)，提出了虛擬未建模動(dòng)態(tài)驅(qū)動(dòng)的PD平衡控制策略，取得的主要成果如下：
　　(1)結(jié)合PD控制器在工業(yè)應(yīng)用中的優(yōu)勢(shì)，為消除系統(tǒng)存在的強(qiáng)非線性特性、摩擦力、重力和各種不確定因素的影響，采用前一拍和增量估計(jì)算法對(duì)虛擬未建模動(dòng)態(tài)進(jìn)行估計(jì)，設(shè)計(jì)了虛擬未建模動(dòng)態(tài)驅(qū)動(dòng)的PD控制器，并進(jìn)行了穩(wěn)定性分析。
　　(2)當(dāng)Pendubot系統(tǒng)的控制目標(biāo)

4、設(shè)定為最高不穩(wěn)定平衡點(diǎn)時(shí)，系統(tǒng)主要受摩擦力影響，采用前一拍設(shè)計(jì)虛擬未建模動(dòng)態(tài)補(bǔ)償器，能夠很好地補(bǔ)償系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)誤差，但當(dāng)采用前一拍和增量估計(jì)算法進(jìn)行虛擬未建模動(dòng)態(tài)補(bǔ)償器的設(shè)計(jì)時(shí)，能夠更進(jìn)一步的提高系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)精度。
　　(3)當(dāng)Pendubot系統(tǒng)的控制目標(biāo)設(shè)定為非平衡位置時(shí)，系統(tǒng)主要受摩擦力和重力的影響，而且由于重力的影響，使得系統(tǒng)的摩擦力特性變得更加復(fù)雜，前一拍進(jìn)行虛擬未建模動(dòng)態(tài)補(bǔ)償器的設(shè)計(jì)，無(wú)法很好地消除穩(wěn)態(tài)誤差，本文采用前一拍

5、和增量估計(jì)算法進(jìn)行虛擬未建模動(dòng)態(tài)補(bǔ)償器的設(shè)計(jì)，擴(kuò)大了擺臂吸引域，減小了穩(wěn)態(tài)誤差。
　　(4)針對(duì)Pendubot物理系統(tǒng)，開(kāi)展了所提控制方法的仿真實(shí)驗(yàn)和物理實(shí)驗(yàn)研究。當(dāng)Pendubot的控制目標(biāo)為最高不穩(wěn)定平衡位置時(shí)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，與線性二次型調(diào)節(jié)器(LQR)和求解狀態(tài)相關(guān)的Riccati方程(SDRE)的方法相比，本文所提控制算法擴(kuò)大了擺臂的吸引域范圍，減小了穩(wěn)態(tài)誤差，具有較強(qiáng)的魯棒性;當(dāng)Pendubot的控制目標(biāo)為非平衡位置時(shí)