虚拟未建模动态驱动的一类欠驱动机械臂的平衡控制方法

摘要

Pendubot作为典型的欠驱动机械系统，是一种两关节的平面欠驱动机器人，具有单输入两输出的特殊结构。欠驱动机械臂具有执行机构少、重量轻、成本低的优点，使其在航空航天、空间机器人领域的应用非常广泛，具有很高的工业应用价值。此外，欠驱动机械臂的高阶非线性特性，使得常规的线性控制器难以取得理想的控制效果，其独特的欠驱动特性，使得多变量解耦控制方法不再适用，一般的光滑非线性方法也无法满足控制要求，具有很重要的理论研究价值。Pendubot的控制不同于传统的直线摆和旋转摆，其线性化模型在各个工作点是不同的，具有更大的控制难度。Pendubot的控制算法研究主要有起摆控制、平衡控制和轨迹跟踪，本文主要研究平衡控制，现有平衡控制方法主要存在以下几个问题:(1)控制器设计时没有考虑摩擦力的影响，系统输出存在稳态误差;(2)部分线性控制器基于精确的动力学模型，系统模型参数发生变化时，控制效果差;(3)部分非线性智能控制算法较为复杂，难以从理论上保证系统的稳定性，且仅停留在仿真阶段。
　　针对上述问题，本文依托东北大学“985”工程流程工业综合自动化国家重点实验室科技创新平台，提出了虚拟未建模动态驱动的PD平衡控制策略，取得的主要成果如下：
　　(1)结合PD控制器在工业应用中的优势，为消除系统存在的强非线性特性、摩擦力、重力和各种不确定因素的影响，采用前一拍和增量估计算法对虚拟未建模动态进行估计，设计了虚拟未建模动态驱动的PD控制器，并进行了稳定性分析。
　　(2)当Pendubot系统的控制目标设定为最高不稳定平衡点时，系统主要受摩擦力影响，采用前一拍设计虚拟未建模动态补偿器，能够很好地补偿系统的稳态误差，但当采用前一拍和增量估计算法进行虚拟未建模动态补偿器的设计时，能够更进一步的提高系统的稳态精度。
　　(3)当Pendubot系统的控制目标设定为非平衡位置时，系统主要受摩擦力和重力的影响，而且由于重力的影响，使得系统的摩擦力特性变得更加复杂，前一拍进行虚拟未建模动态补偿器的设计，无法很好地消除稳态误差，本文采用前一拍和增量估计算法进行虚拟未建模动态补偿器的设计，扩大了摆臂吸引域，减小了稳态误差。
　　(4)针对Pendubot物理系统，开展了所提控制方法的仿真实验和物理实验研究。当Pendubot的控制目标为最高不稳定平衡位置时，实验结果表明，与线性二次型调节器(LQR)和求解状态相关的Riccati方程(SDRE)的方法相比，本文所提控制算法扩大了摆臂的吸引域范围，减小了稳态误差，具有较强的鲁棒性;当Pendubot的控制目标为非平衡位置时，实验结果表明，采用前一拍和增量估计算法进行虚拟未建模补偿器的设计，更加显著的提高了系统的性能。

目录

声明

摘要

第1章 绪论

1．1 课题的研究背景及意义

1．2 欠驱动机械臂的研究现状及存在的问题

1．2．1 国内外研究现状

1．2．2 存在问题分析

1．3 Pendubot控制系统描述

1．3．1 Pendubot控制系统结构

1．3．2 Pendubot系统的特点及研究价值

1．4 本文主要研究内容

第2章 欠驱动机械臂系统模型

2．1 引言

2．2 Pendubot物理模型

2．3 Pendubot动力学描述

2．3．1 拉格朗日动力学方程

2．3．2 动力学模型

2．3．3 系统特性分析

2．4 控制器设计模型

2．5 本章小结

第3章 虚拟未建模动态驱动的PD平衡控制算法

3．1 引言

3．2 问题描述

3．2．1 控制目标

3．2．2 控制难度分析

3．3 虚拟未建模动态驱动的PD平衡控制方法

3．3．1 控制思想描述

3．3．2 线性PD控制器设计

3．3．3 虚拟未建模动态补偿器设计

3．3．4 稳定性分析

3．4 数值仿真实验

3．4．1 LQR平衡控制

3．4．2 SDRE平衡控制

3．4．3 UDCPD平衡控制

3．4．4 实验结果对比分析

3．5 本章小结

第4章 Pendubot系统物理实验研究

4．1 引言

4．2 Pendubot系统实验平台描述

4．2．1 Pendubot控制系统硬件平台

4．2．2 Pendubot控制系统软件平台

4．3 物理实验结果

4．3．1 平衡位置实验研究

4．3．2 非平衡位置实验研究

4．3．3 虚拟未建模动态结果分析

4．4 本章小结

第5章 结论与展望

参考文献

致谢

攻读硕士期间的研究成果

附录