虛擬未建模動態(tài)驅(qū)動的一類欠驅(qū)動機械臂的平衡控制方法.pdf

1、Pendubot作為典型的欠驅(qū)動機械系統(tǒng)，是一種兩關節(jié)的平面欠驅(qū)動機器人，具有單輸入兩輸出的特殊結構。欠驅(qū)動機械臂具有執(zhí)行機構少、重量輕、成本低的優(yōu)點，使其在航空航天、空間機器人領域的應用非常廣泛，具有很高的工業(yè)應用價值。此外，欠驅(qū)動機械臂的高階非線性特性，使得常規(guī)的線性控制器難以取得理想的控制效果，其獨特的欠驅(qū)動特性，使得多變量解耦控制方法不再適用，一般的光滑非線性方法也無法滿足控制要求，具有很重要的理論研究價值。Pendubot的控

2、制不同于傳統(tǒng)的直線擺和旋轉(zhuǎn)擺，其線性化模型在各個工作點是不同的，具有更大的控制難度。Pendubot的控制算法研究主要有起擺控制、平衡控制和軌跡跟蹤，本文主要研究平衡控制，現(xiàn)有平衡控制方法主要存在以下幾個問題:(1)控制器設計時沒有考慮摩擦力的影響，系統(tǒng)輸出存在穩(wěn)態(tài)誤差;(2)部分線性控制器基于精確的動力學模型，系統(tǒng)模型參數(shù)發(fā)生變化時，控制效果差;(3)部分非線性智能控制算法較為復雜，難以從理論上保證系統(tǒng)的穩(wěn)定性，且僅停留在仿真階段。<

3、br>　　針對上述問題，本文依托東北大學“985”工程流程工業(yè)綜合自動化國家重點實驗室科技創(chuàng)新平臺，提出了虛擬未建模動態(tài)驅(qū)動的PD平衡控制策略，取得的主要成果如下：
　　(1)結合PD控制器在工業(yè)應用中的優(yōu)勢，為消除系統(tǒng)存在的強非線性特性、摩擦力、重力和各種不確定因素的影響，采用前一拍和增量估計算法對虛擬未建模動態(tài)進行估計，設計了虛擬未建模動態(tài)驅(qū)動的PD控制器，并進行了穩(wěn)定性分析。
　　(2)當Pendubot系統(tǒng)的控制目標

4、設定為最高不穩(wěn)定平衡點時，系統(tǒng)主要受摩擦力影響，采用前一拍設計虛擬未建模動態(tài)補償器，能夠很好地補償系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)誤差，但當采用前一拍和增量估計算法進行虛擬未建模動態(tài)補償器的設計時，能夠更進一步的提高系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)精度。
　　(3)當Pendubot系統(tǒng)的控制目標設定為非平衡位置時，系統(tǒng)主要受摩擦力和重力的影響，而且由于重力的影響，使得系統(tǒng)的摩擦力特性變得更加復雜，前一拍進行虛擬未建模動態(tài)補償器的設計，無法很好地消除穩(wěn)態(tài)誤差，本文采用前一拍

5、和增量估計算法進行虛擬未建模動態(tài)補償器的設計，擴大了擺臂吸引域，減小了穩(wěn)態(tài)誤差。
　　(4)針對Pendubot物理系統(tǒng)，開展了所提控制方法的仿真實驗和物理實驗研究。當Pendubot的控制目標為最高不穩(wěn)定平衡位置時，實驗結果表明，與線性二次型調(diào)節(jié)器(LQR)和求解狀態(tài)相關的Riccati方程(SDRE)的方法相比，本文所提控制算法擴大了擺臂的吸引域范圍，減小了穩(wěn)態(tài)誤差，具有較強的魯棒性;當Pendubot的控制目標為非平衡位置時