凿岩机器人双三角钻臂自适应控制策略研究

摘要

应用计算机实现液压凿岩台车的高度自动化是当今世界各国液压凿岩设备发展的主流,而双三角钻臂因为性能优良而被广泛应用于液压凿岩台车中.双三角钻臂属于直接定位钻臂,在工作区间可将钎头直接移位到目标位置.为了防止干涉、实现直接和精确定位,需要控制钻臂严格按规划轨迹移位.论文以实现双三角钻臂轨迹跟踪定位控制为目的,从双三角定位机构这一实际非线性对象出发,而展开对一般非线性系统的辨识、预测与控制的研究,然后将研究结果又回过来应用于双三角钻臂这一特定对象,主要内容如下.论述了国内外液压凿岩设备的发展概况及非线性控制系统的研究现状,对双三角钻臂移位控制策略和方案选择进行了论证,指出了采用自适应控制策略的合理性;根据双三角钻臂的结构和运动特性,建立了直角坐标系和斜角坐标系,通过几何分析导出了钻臂各物理量之间的变换或换算关系,为双三角钻臂各液压缸运动速度的决策和钻臂位姿检测过程中的标度变换打下了基础;在分析了双三角钻臂运动特性的基础上,提出了一种双三角钻臂支臂缸运动速度的全程决策方法,为实现双三角钻臂平稳运行和直接定位控制创造了条件;从液压系统的基本方程入手,建立了双三角钻臂平行联动机构的简化模型,导出了连续时间输入输出传递函数、连续时间状态空间表达式、离散时间输入输出模型和离散时间状态空间表达式四种模型形式,通过对钻臂的结构和受力分析,导出了模型中的参数和液压缸负载力的估算公式和估算方法,为控制系统设计和仿真研究打下了基础;在介绍了确定性非线性系统和随机非线性系统的回归输入输出模型的基础上,给出并证明了随机非线性系统的时变线性模型的存在性定理,通过分析系统闭环预测存在的缺陷,并为了改善闭环预测性能,为一般系统提出了三类更简便实用的输入输出离散时间模型:即非齐次时变线性模型、非齐次增量型时变线性模型和增量型一元线性回归模型,给出并证明了其存在性定理;针对增量型一元线性回归模型推出了投影算法、加权限定记忆回归法的参数估计算式,并提出了一种新的滚动多模型加权平均参数估计算法,针对非齐次时变线性模型和增量型非齐次时变线性模型给出了渐消记忆递推最小二乘法和投影算法的参数估计算式,上述模型及其相应的参数估计方法为结构未知的一般系统的辨识与预测提供了便利;应用稳态运行时阀控液压缸的运行速度与电液比例伺服放大器输入电压的近似比例关系,并应用前一采样时刻对象的输入输出数据来确立这种关系,提出了保持两支臂缸运行速度之比为给定值的静态速比自适应控制方案;应用自适应广义预测控制理论,针对双三角钻臂具体的CARIMA模型,推出了具体的自适应广义预测控制算法;沿用自适应广义预测控制的理论与方法,提出了分别基于上述三类模型的自适应多步预测控制策略和自适应单步预测控制策略;分别采用上述三类模型的逆作为逆控制器,并与一阶滤波器串联构成双重自校正控制器,引入智能控制的基本方法,在控制过程中通过监测模型特征来作出控制决策,形成了以自适应逆控制为主、常规控制为辅的智能自适应逆控制策略;对原有双三角钻臂凿岩台车进了改造,设计和研制了一套完整的凿岩机器人两级计算机控制系统,在这一实验平台上对双三角钻臂控制系统进行了实验研究,完成了上述各种控制策略的验证工作,实现了基于上述各种控制策略的双三角钻臂直接定位控制.论文为实现双三角钻臂轨迹跟踪和精确定位控制提供了一套完整了理论与方法,有关非线性控制系统的研究成果可推广应用于一般工业生产过程的控制.

目录

文摘

英文文摘

原创性声明和关于学位论文使用授权说明

第1章绪论

1.1国内外液压凿岩设备发展概况

1.2凿岩机器人简介

1.3双三角钻臂移位控制策略的选择与方案论证

1.4非线性控制系统的研究现状及主要方法概述

1.5论文研究的目的和意义

第2章双三角钻臂定位机构的几何分析

2.1双三角钻臂定位机构简介

2.2从钻臂直角坐标到支臂缸边长的换算

2.3从支臂缸边长到直角坐标的换算

2.4从钻臂转角到直角坐标的换算

2.5支臂缸的运动与钻臂运行轨迹分析

2.6从直角坐标系到斜角坐标系的变换

2.7从斜角坐标系到直角坐标系的变换

本章小结

第3章支臂缸运动速度的决策

3.1支臂缸的伸缩量与钻臂端点位移量的关系

3.2左右支臂缸运动的速度比决策

3.3支臂缸运动速度的全程决策

3.4支臂缸速度决策实例

本章小结

第4章双三角钻臂平行联动机构的机理建模与参数估计

4.1系统建模

4.1.1电液比例阀的流量方程

4.1.2支臂缸和俯仰缸的连续性方程

4.1.3支臂缸和俯仰缸的力平衡方程

4.1.4钻臂变幅机构的传递函数

4.2参数估计

4.2.1钻臂转动惯量的估算

4.2.2液压缸负载的等效质量的估算

4.2.3液压缸负载力的估算

4.2.4参数kq的估算

4.2.5参数kc的估算

4.3钻臂变幅机构的状态空间模型和离散化模型

4.3.1钻臂变幅机构的连续时间状态空间模型

4.3.2钻臂变幅机构的离散时间状态空间模型

4.3.3钻臂变幅机构的离散时间输入输出模型

本章小结

第5章非线性时变系统的离散时间模型及参数估计

5.1 ARMAX模型的参数估计

5.2确定性非线性系统的回归输入输出模型

5.3随机非线性系统的回归输入输出模型

5.4非线性系统的TVARMAX模型

5.5非线性系统的非齐次时变线性模型

5.6输入输出增量型一元线性回归模型

5.7增量型一元线性回归模型参数估计的投影算法

5.7.1算法原理

5.7.2仿真实例1

5.7.3仿真实例2

5.8增量型一元线性回归模型参数估计的加权限定记忆回归法

5.8.1算法原理

5.8.2仿真实例1

5.8.3仿真实例2

5.9滚动多模型加权平均参数估计算法

5.9.1算法原理

5.9.2仿真实例1

5.9.3仿真实例2

5.10非齐次时变线性模型的参数估计

5.10.1参数估计算法

5.10.2仿真实例1

5.10.3仿真实例2

本章小结

第6章自适应预测控制策略研究

6.1静态速比控制

6.2基于CARIMA模型的GPC控制

6.2.1模型参数估计

6.2.2 CARIMA模型的j步最优预测

6.2.3 Diophantine方程的递推解

6.2.4 GPC最优控制律

6.3基于增量型一元线性回归模型的自适应预测控制

6.3.1增量型一元线性回归模型的j步最优预测

6.3.2自适应多步预测控制

6.3.3自适应单步预测控制

6.4基于非齐次时变线性模型的自适应预测控制

6.4.1多步输出预测

6.4.2自适应多步预测控制

6.4.3自适应单步预测控制

6.5基于非齐次增量型时变线性模型的自适应预测控制

6.5.1多步输出预测

6.5.2自适应多步预测控制

6.5.3自适应单步预测控制

本章小结

第7章智能自适应逆控制策略研究

7.1基于增量型一元线性回归模型的智能自适应逆控制

7.1.1自校正控制算法

7.1.2多模态控制方式

7.1.3闭环预测性能与系统稳定性分析

7.1.4滤波器自校正策略

7.1.5仿真实例

7.2基于非齐次时变线性模型的智能自适应逆控制

7.2.1仿真实例1

7.2.2仿真实例2

7.3基于非齐次增量型时变线性模型的智能自适应逆控制

7.3.1仿真实例1

7.3.2仿真实例2

本章小结

第8章双三角钻臂移位控制实验研究

8.1凿岩机器人作业过程与控制要求

8.2实验系统的硬件结构

8.3双三角钻臂的移位控制系统及调试界面

8.4实验系统的初始参数及标度变换的确定

8.5静态速比控制实验

8.6基于增量型一元线性回归模型的自适应预测控制实验

8.6.1自适应多步预测控制实验

8.6.2自适应单步预测控制实验

8.7基于非齐次时变线性模型的自适应预测控制实验

8.7.1自适应多步预测控制实验

8.7.2自适应单步预测控制实验

8.8基于非齐次增量型时变线性模型的自适应预测控制实验

8.8.1自适应多步预测控制实验

8.8.2自适应单步预测控制实验

8.9智能自适应逆控制实验

8.9.1基于增量型一元线性回归模型的智能自适应逆控制实验

8.9.2基于非齐次时变线性模型的智能自适应逆控制实验

8.9.3基于非齐次增量型时变线性模型的智能自适应逆控制实验

本章小结

结论

参考文献

附录1

附录2

致谢

攻读博士学位期间发表论文情况