气动单关节机械臂自抗扰定位及跟踪控制研究

摘要

气动技术作为一种新兴的驱动和控制技术，在现代工业自动化生产、医疗服务、事故救援乃至军事军备和空间探索等领域都有很大的发展前景。其中，气动机械臂系统作为气动技术、机械设计、电子技术和现代控制技术相结合的产物，以其结构简单、安全可靠、维护方便和清洁性高等优点被科研专家广泛关注。然而，由于气动系统本身存在着无法克服的强烈非线性、不确定性和外部干扰等问题，导致长久以来其高精度控制一直是比较棘手的问题。因此，本文从机械臂构造的基本单元—单自由度机械臂作为首要研究点，并采用自抗扰控制技术来提高系统定位控制和跟踪控制的响应速度和控制精度。
　　首先，设计和加工了实验用气动人工肌肉，搭建和完善了气动单关节机械臂的实验平台。并根据相关文献推导自制人工肌肉的数学模型，从而进一步推出单自由度机械臂系统的系统模型。该模型具有较强的时变特性、非线性和模型不确定性。
　　其次，对于气动单关节机械臂系统存在内部模型不确定和外部环境扰动的问题，采用自抗扰控制方法研究了该系统的定位控制。跟踪微分器可以平滑突变信号的过渡过程，并消除超调现象。扩张状态观测器能够实时地观测系统内部模型不确定和外部环境的扰动。基于总扰动估计值得到的闭环控制器可以有效补偿总扰动对系统的影响。此外，应用自稳定域理论和Lyapunov定理证实了所提出扩张状态观测器和闭环系统的收敛性和稳定性。章末的对比仿真和实验验证了自抗扰控制方法可以极大改善气动单关节机械臂系统的定位控制效果。
　　然后，考虑到角度编码器可以实时地采集系统的实际输出信息，故不需要再观测和估计系统的实际输出。因此对扩张状态观测器的形式重新构造，得到降阶形式的扩张状态观测器。这样有效降低了实验过程中参数调节的工作量，也解决了三阶扩张状态观测器收敛性证明困难的问题。此外，利用总扰动估计值和系统误差组合得到的非线性控制器保证了闭环系统的稳定性。通过和传统自抗扰方法的对比实验研究，也验证了改进后自抗扰控制方法的有效性和优势。
　　最后，根据系统误差设计出切换滑模变量，并把原系统模型转化为以滑模变量和其导数信息为状态变量的新模型。采用超螺旋理论的思想，对扩张状态观测器中的非线性函数进行重新设计以获得新形式扩张状态观测器。此外，基于所提出的切换滑模结构、系统总扰动观测值和系统的状态变量，设计了切换形式的闭环反馈控制器保证了系统的稳定性和跟踪效果。同时，文章也给出了新型扩张状态观测器和闭环控制器有限时间收敛性和稳定性的分析过程。章末通过一系列对比实验，也验证了所提出的控制方案的可应用性和优越性。

目录

声明

第1章 绪 论

1.1 课题背景及研究意义

1.2 课题研究现状

1.3 本文的主要研究内容

第2章 气动单关节机械臂平台简介

2.1 气动单关节机械臂运动平台

2.2 实验平台元件简介

2.3 相关软件介绍

2.4 本章小结

第3章 系统模型介绍

3.1 引言

3.2 PAM概述

3.3 气动单关节机械臂系统模型

3.4 本章小结

第4章 气动单关节机械臂自抗扰定位控制研究

4.1 引言

4.2 单关节机械臂系统模型

4.3 自抗扰控制算法

4.4 仿真和实验验证

4.5 本章小结

第5章 基于降阶ESO的单关节机械臂系统跟踪控制研究

5.1 引言

5.2单关节气动机械臂的系统模型

5.3基于降阶ESO的自抗扰控制器

5.4 实验验证

5.5 本章小结

第6章 基于切换滑模控制和新型ESO的机械臂有限时间跟踪控制研究

6.1 引言

6.2 单自由度气动机械臂系统

6.3 基于滑模控制策略的自抗扰控制

6.4 实验验证

6.5 本章小结

结论

参考文献

攻读硕士学位期间承担的科研任务与主要成果

致谢