大时延水下机械手位置伺服控制技术研究

论文摘要

随着人类社会的发展和科学技术的进步,世界很多国家都开始重视对海洋资源的开发和利用。作为海洋开发的重要工具,水下机械手的研究日益受到人们的关注,水下机械手工作在复杂的海洋(水中)环境中,水压、腐蚀、海流、潮汐、浪涌等都将影响到水下机械手的控制性能。因此水下机械手的研究对提高水下作业能力及智能化水平具有重要的理论研究意义和实际应用价值。体系结构与作业控制技术是水下机械手研究的关键问题之一,本文在对水下机械手总体结构、运动分析及控制系统分析和研究的基础上,开发了基于速度内环和位置外环的水下机械手双闭环位置伺服控制系统。速度内环采用PI控制,有助于抑制振荡,减小超调,提高控制系统的动态性能;位置外环采用P控制,有助于保证系统静态精度和动态跟踪的性能。对于水下机械手位置伺服控制系统,水池实验结果表明,基于速度内环和位置外环的水下机械手双闭环位置伺服控制系统适合水下环境的要求,控制精度高,具有较好的抗干扰能力,同时也验证了这种控制方法的有效性和可行性。考虑到为无人无缆水下机器人(AUV)所配备的水下机械手的应有背景及工作环境的特殊性,控制系统内发生的大时延会影响整个控制系统的稳定性,降低系统的控制品质。针对这一问题,本文提出了在水下机械手闭环系统的前向通道和反馈通道增加了时延缓冲器和时延补偿器的方法,以减小时延对水下机械手控制系统的影响。前向通道时延补偿器采用Smith补偿。Smith补偿是在闭环系统中增加一个补偿环节,使补偿后系统的控制通道及系统传递函数的分母不再含有延迟环节,从而改善控制系统的控制性能及稳定性;反馈通道时延补偿器是在控制系统的前向通道增加一个补偿器,使补偿后的系统等效于没有时延时的控制系统,以减小时延对控制系统的影响。由于深海作业水下机械手的时延具有随机性、可变性和不可预测性,是一种变时延。采用时延缓冲器,把变时延转换成固定时延,再进行时延补偿控制。水池实验结果验证了本文所提时延补偿方法的有效性和可行性。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 课题研究的背景和意义
• 1.2 国内外水下机械手研究现状
• 1.2.1 国外水下机械手研究现状
• 1.2.2 国内水下机械手研究现状
• 1.3 水下机械手控制方法概述
• 1.4 课题来源与本文主要研究工作
• 第2章 水下机械手位置伺服系统研究
• 2.1 引言
• 2.2 水下机械手总体结构分析
• 2.2.1 工作环境与要求分析
• 2.2.2 水下机械手结构分析
• 2.2.3 关节驱动方式分析与设计
• 2.3 位置伺服模型的建立
• 2.3.1 直流伺服电机建模
• 2.3.2 直流电机PWM调速
• 2.4 位置伺服控制系统研究
• 2.4.1 单闭环控制系统分析
• 2.4.2 多闭环控制系统分析
• 2.4.3 位置伺服系统分析与设计
• 2.5 位置伺服系统误差分析
• 2.6 本章小结
• 第3章 水下机械手控制系统分析与设计
• 3.1 引言
• 3.2 控制系统总体分析
• 3.3 核心系统分析与设计
• 3.4 数据发送与接收方法
• 3.5 位置控制与速度控制分析
• 3.6 本章小结
• 第4章 水下机械手位置伺服控制实验研究
• 4.1 引言
• 4.2 水下机械手实验系统组成
• 4.3 位置伺服控制实验内容
• 4.4 位置伺服控制实验结果与分析
• 4.4.1 位置伺服控制实验
• 4.4.2 关节耦合实验
• 4.4.3 抗干扰实验
• 4.5 本章小结
• 第5章 水下机械手时延问题研究及实验验证
• 5.1 引言
• 5.2 水下机械手时延问题分析
• 5.3 水下机械手延迟环节特性分析
• 5.4 水下机械手时延补偿控制研究
• 5.4.1 常规控制系统分析
• 5.4.2 时延补偿控制研究
• 5.4.3 时延缓冲器分析与设计
• 5.5 时延实验结果与分析
• 5.5.1 时延实验
• 5.5.2 干扰时延实验
• 5.6 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 攻读硕士学位期间发表的论文和取得的科研成果
• 致谢