自主移動(dòng)機(jī)械臂控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)及仿真.pdf

1、在當(dāng)今的生產(chǎn)生活中，移動(dòng)機(jī)械臂憑借其靈活的操作能力，廣闊的應(yīng)用領(lǐng)域以及強(qiáng)大的功能引起了國(guó)內(nèi)外研究學(xué)者的廣泛關(guān)注。由于移動(dòng)機(jī)械臂系統(tǒng)是典型的高度非線性、強(qiáng)耦合的動(dòng)力學(xué)系統(tǒng)，加上其動(dòng)力學(xué)模型中存在的不確定性，對(duì)其設(shè)計(jì)與控制提出了很高的要求?，F(xiàn)有文獻(xiàn)對(duì)于移動(dòng)機(jī)械臂的研究成果大都集中在移動(dòng)機(jī)械臂的運(yùn)動(dòng)控制方面，移動(dòng)機(jī)械臂系統(tǒng)的穩(wěn)定性及抗干擾性還未得到很好的解決。因此，本文針對(duì)移動(dòng)機(jī)械臂的控制系統(tǒng)進(jìn)行了設(shè)計(jì)，使得移動(dòng)機(jī)械臂具有較好的穩(wěn)定性和抗干擾

2、性。
　　首先，分析了具有二級(jí)倒立擺特性的移動(dòng)機(jī)械臂機(jī)械結(jié)構(gòu)，得到機(jī)械臂在平衡點(diǎn)附近具有的運(yùn)動(dòng)特性。接著采用能量守恒，動(dòng)能定理等方法確定移動(dòng)機(jī)械臂的動(dòng)力學(xué)模型。進(jìn)而，基于拉格朗日建模方法，得到移動(dòng)機(jī)械臂的數(shù)學(xué)模型。最后考慮在測(cè)量變量的過程物質(zhì)及信號(hào)的傳遞因素的影響，得到具有時(shí)滯的移動(dòng)機(jī)械臂線性數(shù)學(xué)模型。
　　針對(duì)移動(dòng)機(jī)械臂的線性數(shù)學(xué)模型，本文基于D-分割法及Hermite-Bielher推廣定理設(shè)計(jì)了低階控制器，實(shí)現(xiàn)移動(dòng)機(jī)械

3、臂快速達(dá)到穩(wěn)定。針對(duì)PD控制器的設(shè)計(jì)，基于D-分割法及Hermite-Bielher推廣定理，給出了兩種確定PD控制器穩(wěn)定域的設(shè)計(jì)方法。首先，獲得比例控制參數(shù)的最大可允許穩(wěn)定范圍，然后遍歷所獲得的比例控制參數(shù)穩(wěn)定范圍，基于Hermite-Bielher推廣定理，給出不同比例控制參數(shù)值所對(duì)應(yīng)的微分參數(shù)的穩(wěn)定范圍。但該方法計(jì)算量較大。為了減小計(jì)算量，又進(jìn)一步基于D-分割法直接確定了PD控制器的穩(wěn)定域。只要在穩(wěn)定域中選擇控制參數(shù)，均能保證移動(dòng)

4、機(jī)械臂的末端是穩(wěn)定的。針對(duì)PID控制器的設(shè)計(jì)，應(yīng)用Hermite-Bielher推廣定理給出了PID控制器參數(shù)穩(wěn)定集?；谒@得的PID控制器參數(shù)穩(wěn)定集，根據(jù)H無窮性能指標(biāo)對(duì)控制參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化。優(yōu)化后的PID控制參數(shù)能夠保證移動(dòng)機(jī)械臂的末端在短時(shí)間內(nèi)達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)，具有較好的穩(wěn)定性能。
　　移動(dòng)機(jī)械臂在實(shí)際應(yīng)用中不可避免地受到外界的擾動(dòng)。為了保證移動(dòng)機(jī)械臂在有外界擾動(dòng)時(shí)也能維持穩(wěn)定，本文在已設(shè)計(jì)的低階控制器的基礎(chǔ)上，提出了具有干擾觀測(cè)

5、器的二自由度控制結(jié)構(gòu)?？刂破饔蓛?nèi)環(huán)控制器和外環(huán)控制器組成。其中，內(nèi)環(huán)控制器（干擾觀測(cè)器）的主要目的是抑制來自外界環(huán)境的干擾，提高移動(dòng)機(jī)械臂系統(tǒng)參數(shù)變動(dòng)和不確定性的魯棒性;而外環(huán)控制器（低階控制器）的目的是實(shí)現(xiàn)期望的目標(biāo)軌跡跟蹤性能。通過兩類控制器的協(xié)作控制使得移動(dòng)機(jī)械臂在保證穩(wěn)定性的情況下具有良好的魯棒性。
　　本文給出的具有二級(jí)倒立擺特性的移動(dòng)機(jī)械臂控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法，為實(shí)際應(yīng)用中具有不同功能的移動(dòng)機(jī)械臂穩(wěn)定性的控制提供了理論基礎(chǔ)