高速并联机械手高精度控制方法研究

摘要

本文密切结合高速并联机械手在电子、食品、医药等轻工行业的相关需求，以实现机械手高精度控制为目标，研究机械系统建模分析、伺服系统建模和参数辨识、高精度控制方法等关键技术，将研究成果应用于高速并联机械手的控制。全文得到如下成果：
　　在机械系统建模与分析研究方面，建立了高速并联机械手机械子系统规格化的运动学与刚体动力学模型，揭示了其惯性矩阵严格对角占优的特性，提出一种新的考虑各支链间耦合作用的伺服电机等效负载惯量预估方法。上述工作为高精度控制方法的设计提供正确的系统参数。
　　在伺服系统建模与参数辨识研究方面，构建了通用的伺服驱动系统机电耦合模型，提出了一种通过引入误差评价函数实现拟合误差最小化的伺服驱动系统参数辨识方法；构造出辨识频段的优选流程，通过剔除不良高频率点克服了全频段数据拟合对测试噪声敏感的缺点，为辨识结果能够较好地描述系统的稳态性能提供保证；提出一种借助稳定性分析得到伺服驱动器控制参数可行域的方法，保证了速度环的抗干扰能力。
　　在控制方法设计与控制器参数整定研究方面，提出了一种基于模糊调节和前馈调节的高速并联机械手控制方法，通过采用非均匀隶属度函数有效增强了模糊模块的抗干扰能力，通过建立模糊控制查询表简化了模糊推理过程，通过修正补偿变量值实现了在粗插补层面的关节力矩补偿。提出了一种以全域典型轨迹跟踪误差方均根值最小为目标的控制器参数整定方法，构造了利用Fibonacci算法实现快速寻优的参数整定流程，克服了多目标优化运算量大的缺点。计算机仿真结果表明，模糊控制器的补偿效果显著，能够大幅减小测试轨迹上的关节位置跟随误差。
　　在模糊PID+前馈控制方法实验研究方面，构建了基于IPC和Turbo PMAC多轴运动控制器的伺服控制系统体系，搭建了系统硬件平台，完成了实验样机开发。提出了通过将模糊算法写入PLC0程序从而实现对控制器PID参数实时在线调节的方法。实验结果表明，相较传统PID控制，本文所提控制策略可以有效减小关节位置跟随误差，明显提高了各关节的控制精度。
　　本文研究成果对丰富高速并联机械手系统的建模和控制理论，保障其高速高精度运行，推进其在工业自动化中更加持续、广泛的应用具有重要理论意义和实用价值。

目录

声明

字母注释表

第一章 绪 论

1.1 研究背景和意义

1.2 国内外研究状况

1.3 本文研究内容

第二章 机械系统建模与分析

2.1 引言

2.2 高速并联机械手系统描述

2.3 机械系统规格化建模

2.4 等效负载惯量计算

2.5 算例

2.6 小结

第三章 伺服系统建模与参数辨识

3.1 引言

3.2 伺服系统构成

3.3 伺服系统建模

3.4 速度环稳定性分析

3.5 伺服驱动系统的参数辨识

3.6 计算机仿真

3.7 辨识试验

3.8 小结

第四章 控制方法设计与控制器参数整定

4.1 引言

4.2 控制器结构设计

4.3 模糊模块设计

4.4 前馈模块设计

4.5 控制器参数预整定

4.6 模糊PID+前馈控制仿真

4.7 小结

第五章 模糊PID+前馈控制实验

5.1 引言

5.2 伺服控制系统开发

5.3 模糊PID算法实现

5.4 实验

5.5 小结

第六章 全文结论

6.1 结论

6.2 工作展望

参考文献

发表论文和参加科研情况说明

致谢