输入有界不确定机器人控制策略研究

论文摘要

机器人是典型的时变、强耦合的非线性系统。随着机器人技术研究的深入和应用领域的扩大,常规的控制策略和算法,如PID控制已经不能满足这些领域的控制要求。诸多智能控制策略的出现,使得机器人系统的非线性等特性得到了较好的解决;但是,智能算法设计控制器时的保守性使控制器具有非常大的控制幅值和较高的变化速率,这在实际中很难实现,很大程度上制约了先进控制策略的实际应用。针对这种现状,本论文提出了一种输入有界控制策略,在保证系统快速性和高精度的基本性能要求前提下,设计出能实现较低控制输入幅值的机器人控制算法。在现有机器人鲁棒控制方法研究的基础上,分析了输入有界控制策略的研究现状,从保守性方面,将机器人控制器设计分为三大类,并指出了输入有界控制策略的研究意义和几个基本问题。分析得到了一类满足输入有界控制要求的滤波函数,并以典型的双曲正切滤波函数为例,针对机器人对象进行了控制器的设计与仿真研究,验证了该控制策略的有效性。在机器人输入有界控制器的设计研究中,对一般的基于计算力矩结构的鲁棒控制器进行了分散化设计,以力矩输入的显式形式为基础,分析了一般鲁棒控制器的高幅值输出的本质。然后,基于双曲正切滤波函数,设计了全状态反馈的机器人控制器,定量分析和仿真结果验证了此控制器的优良特性。设计了重力补偿和时变参数输入有界自适应鲁棒控制器,都取得了很好的控制效果。论文分析了现有的先进智能控制,针对它们共同的高控制输入要求,把输入有界思想引入到智能控制中,设计出了模糊自整定PD输入有界控制器和基于系统状态的输入有界模糊变结构控制器。仿真结果证明了设计的控制器能够使得机器人系统在一个较小的控制输入下满足快速、高精度的控制要求。在一定程度上解决了设计智能控制器的保守性,使智能控制有了更广阔的应用领域。针对6-DOF并联机器人的强耦合和非线性等影响实际控制效果的因素,引入分散变结构控制思想,实现了模型的解耦以及诸多不利因素的补偿,并结合输入有界控制思想,设计出具有输入有界特性的分散变结构控制器,取得了很好的动态性能,使得复杂的变结构控制器能够针对机器人对象,在满足甚至超过传统的控制方法的性能基础上,具有了更好的实用性和更宽的应用领域。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 机器人的发展概况
• 1.2 不确定机器人控制的提出
• 1.3 机器人控制技术的发展概况
• 1.3.1 鲁棒控制方法
• 1.3.2 智能控制策略
• 1.4 输入有界理论的提出以及研究现状
• 1.5 机器人的数学模型和仿真模型的建立及跟踪曲线的规划
• 1.5.1 机器人的数学模型
• 1.5.2 仿真模型的建立
• 1.5.3 跟踪曲线的规划
• 1.6 论文研究的目的和意义
• 1.7 论文的主要研究内容
• 第2章 输入有界滤波函数的研究
• 2.1 引言
• 2.2 PD 反馈控制器
• 2.2.1 传统 PD 反馈控制器
• 2.2.2 PD+前馈鲁棒控制器
• 2.2.3 实用性分析
• 2.3 滤波函数
• 2.3.1 连续可导递增函数
• 2.3.2 双曲正切函数
• 2.3.3 PD 反馈滤波
• 2.4 仿真研究
• 2.5 本章小结
• 第3章 基于输入有界机器人鲁棒控制策略研究
• 3.1 引言
• 3.2 全状态反馈输入有界控制器
• 3.2.1 控制器的设计
• 3.2.2 仿真研究
• 3.3 基于重力补偿的输入有界控制器
• 3.3.1 重力补偿控制器的设计
• 3.3.2 仿真研究
• 3.4 输入有界的机器人鲁棒自适应控制器的设计
• 3.4.1 控制器的设计
• 3.4.2 仿真研究
• 3.5 本章小结
• 第4章 基于输入有界机器人模糊控制策略的研究
• 4.1 机器人的模糊自整定PD 输入有界控制
• 4.1.1 引言
• 4.1.2 模糊控制原理
• 4.1.3 模糊自整定 PD 输入有界控制原理
• 4.1.4 仿真研究
• 4.1.5 物理实验研究
• 4.2 基于系统状态的机器人模糊变结构控制
• 4.2.1 引言
• 4.2.2 变结构控制基本理论
• 4.2.3 控制器的设计
• 4.2.4 仿真研究
• 4.3 模糊边界层控制
• 4.3.1 控制策略的提出
• 4.3.2 仿真研究
• 4.4 基于系统状态的输入有界机器人模糊变结构控制
• 4.4.1 控制器的设计
• 4.4.2 仿真研究
• 4.5 本章小结
• 第5章 输入有界控制器在6-DOF 并联机器人中的应用
• 5.1 引言
• 5.2 并联机器人动力学模型
• 5.3 并联机器人变结构闭环控制
• 5.3.1 化为可控正则型
• 5.3.2 每个子系统的分散变结构控制器
• 5.3.3 仿真研究
• 5.4 并联机器人输入有界分散变结构控制
• 5.4.1 控制器的设计
• 5.4.2 仿真研究
• 5.5 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 攻读博士学位期间承担的科研任务与主要成果
• 致谢
• 作者简介