水液压驱动的水下机械手及其模糊PID控制方法研究

摘要

随着海洋开发进程的加快，水下机械手等水下作业装备的研究和应用愈显重要。随着水下作业任务的复杂性及控制的自主性要求不断提高，对水下机械手的自主作业能力及控制性能也提出了更高的要求。水下装备工作在复杂的海洋环境，受海流等随机干扰，同时，水下装备自身的非线性性能使得其控制技术与陆上装备相比又有很大不同，研究水液压机械手及其控制技术对于提高水下装备智能化水平，加快其实用化进程具有重要的研究意义和实用价值。
　　本文以水液压水下机械手为研究对象，在分析总结了基于油液压及电机驱动的机械手的控制方式的基础上，考虑本文所研究的水下机械手作业需要，研究水液压驱动水下机械手液压系统及其控制技术，分析了机械手的运动学及动力学，研究了运动控制算法，在研制的试验平台上进行了相关的控制试验。
　　本文分析了国内外水下机械手系统，从驱动方式及控制系统等方面总结了现有机械手的优缺点，为本文所研究的水液压水下机械手系统指明方向；总结了水下机械手运动控制方法，分析了不同控制方式的特点及不足，为本文的控制技术研究奠定基础。
　　为了研究水液压水下机械手控制技术，本文设计了水液压系统，研制了其控制系统。通过研究液压系统调速、锁紧等液压回路，确定了液压系统总体方案，分别设计了各液压回路，研究各液压元件的电气特性；根据各液压元件的电气特性及机械手运动控制要求，研制机械手运动控制系统，划分软硬件控制系统的各功能模块，设计了各功能模块电路，基于主、从控制方式设计了控制系统软件体系结构，在主、从控制器中完成了相应的软件编程。
　　研究水下机械手运动学、动力学及轨迹规划问题，作为水下机械手自主作业及运动控制的基础。本文通过D-H法分析了机械手正向运动学，建立正向运动学运动方程；通过Paul等人提出的反变换法分析了机械手逆向运动学，建立逆向运动学方程；通过Morsion公式及拉格朗日方程分析水下机械手的水下动力学，建立机械手动力学模型；以运动平稳、速度变化连续及时间最短为原则，规划水下机械手的运动轨迹。
　　水下机械手系统为高精度、强耦合、参数时变系统，本文以模糊PID控制方法作为手下机械手的控制方法。本文在PID控制器的基础上，采用二维模糊控制器，基于模糊控制理论设计模糊PID控制器。从轨迹跟踪能力的角度出发，通过仿真实验对模糊PID控制方法的有效性进行验证，仿真实验结果表明：与PID控制方法相比，设计的模糊PID控制器具有更高的调节精度、更快的响应速度。
　　为了验证本文设计的水液压驱动系统以及水下机械手控制系统的有效性，搭建了模拟实验装置，进行了实验研究。搭建水液压系统实验平台，设计相应的硬件控制电路，编制软件控制系统。在陆上和水中分别进行运动控制实验，分析跟踪轨迹的幅值和频率对跟踪精度的影响；进行机械手运动抗干扰实验，根据实验结果分析机械手控制系统的抗干扰能力。在实验中分别使用PID控制器及模糊PID控制器，根据实验结果对比分析，验证了本文设计的模糊PID的有效性。

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第1章 绪论

1.1 课题背景与研究意义

1.2 水下机械手研究现状综述

1.3 水下机械手控制方法研究综述

1.4 本文的主要内容

第2章 水下机械手方案设计及研制

2.1 引言

2.2 水液压系统设计

2.3 机械手硬件控制系统研究

2.4 水下机械手软件平台研究

2.5 本章小结

第3章 水下机械手运动学及动力学研究与轨迹规划

3.1 引言

3.2 机械手运动学研究

3.3 水下机械手动力学模型建立

3.4 机械手轨迹规划研究

3.5 本章小结

第4章 水液压水下机械手模糊PID控制方法研究

4.1 引言

4.2 水下机械手模糊PID位置控制方法研究

4.3 水下机械手模糊PID控制器仿真实验及其结果分析

4.4 仿真实验结果分析

4.5 本章小结

第5章 机械手控制实验研究

5.1 引言

5.2 水液压机械手模拟实验平台研制

5.3 模糊PID及PID运动控制对比实验

5.4 本章小结

结论

参考文献

致谢