基于去伪方法的二自由度机械臂轨迹跟踪控制研究

论文摘要

机械臂的控制研究是一门迅速发展的综合性前沿学科,受到工业界和学术界的高度重视,同时,对机械臂的研究一直是控制领域专家的研究重点。但因其本身存在的耦合性、不确定性等因素,无法建立其精确的数学模型,导致基于模型的现代控制理论在处理此类问题时困难重重。针对上述问题,本文采用去伪控制方法研究了模型未知情况下机械臂系统的轨迹跟踪控制问题。去伪控制方法是基于在线测量的输入输出数据与性能指标设计一个控制器集合,通过不断采集在线的输入输出数据,去除不能够满足代价函数要求的控制器,找到一个符合代价函数要求的控制器切换到回路中。论文主要工作如下：首先,研究基本的PID去伪控制方法,并将其施加到机械臂的轨迹跟踪控制系统中,进行仿真分析。候选控制器集合中选用60个PID控制器实现轨迹跟踪,控制效果较好。其次,针对基本的PID去伪控制方法中候选控制器集合有限这个缺点,应用梯度去伪控制理论,设计参数控制器,将候选控制器集合扩展到无限集合,进行仿真分析。梯度去伪方法的优点是计算量小,候选控制器的个数不受限制。最后,针对梯度去伪控制方法的不足给出一种改进算法,即变步长的梯度去伪控制方法,并将此算法应用到机械臂轨迹跟踪控制系统中,进行仿真分析。变步长的选取,采用不精确的一维搜索技术,其优点是计算量小,每次迭代时都能找到“满意的”步长,提高控制精度,加快收敛速度。为了验证所用算法的有效性,本文利用Matlab/Simulink工具,分别对采用的算法进行仿真实验,并将三种算法的仿真结果进行对比。仿真结果表明,基于变步长的梯度去伪方法能加快机械臂轨迹跟踪的速度,控制效果好,精度高。同时,变步长梯度去伪方法的鲁棒性强,能够抵抗一定干扰带来的影响。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 本文研究的目的与意义
• 1.2 机械臂的轨迹跟踪控制研究
• 1.2.1 机械臂控制的研究现状
• 1.2.2 机械臂轨迹跟踪控制存在的问题
• 1.2.3 二自由度机械臂的模型
• 1.3 去伪控制方法的研究现状
• 1.3.1 去伪控制方法的研究背景意义
• 1.3.2 去伪控制方法的研究现状
• 1.4 去伪控制方法的基本理论
• 1.4.1 去伪控制方法的相关定义
• 1.4.2 去伪控制方法的稳定性分析
• 1.5 本文的主要内容
• 第2章 基于PID去伪的轨迹跟踪控制研究
• 2.1 引言
• 2.2 PID去伪控制方法
• 2.2.1 PID去伪控制的基础理论
• 2.2.2 PID去伪控制的基本算法
• 2.2.3 PID去伪控制器的设计
• 2.3 二自由度机械臂基于PID去伪的轨迹跟踪仿真研究
• 2.3.1 有限控制器集合的选取
• 2.3.2 仿真流程
• 2.3.3 仿真结果与分析
• 2.4 小结
• 第3章 基于梯度去伪的轨迹跟踪控制研究
• 3.1 引言
• 3.2 梯度法
• 3.3 梯度去伪控制方法
• 3.3.1 梯度去伪控制的基本算法
• 3.3.2 梯度去伪控制器的设计
• 3.4 二自由度机械臂基于梯度去伪的轨迹跟踪仿真研究
• 3.4.1 无限控制器集合的选取
• 3.4.2 仿真流程
• 3.4.3 仿真结果与分析
• 3.4.4 梯度去伪法的鲁棒性分析
• 3.5 本章小结
• 第4章 基于变步长梯度去伪的轨迹跟踪控制研究
• 4.1 引言
• 4.2 不精确一维搜索技术
• 4.3 变步长梯度去伪控制方法
• 4.3.1 变步长梯度去伪控制的基本算法
• 4.3.2 变步长梯度去伪控制器的设计
• 4.4 二自由度机械臂基于变步长梯度去伪的轨迹跟踪仿真研究
• 4.4.1 无限控制器集合的选取
• 4.4.2 仿真流程
• 4.4.3 仿真结果与分析
• 4.4.4 变步长梯度去伪法的鲁棒性分析
• 4.5 本章小结
• 第5章 总结与展望
• 5.1 总结
• 5.2 展望
• 参考文献
• 致谢