柔性关节空间机械臂奇异摄动自适应PD控制仿真研究

建立了柔性关节机械臂空间漂浮和地面调试两阶段的动力学模型,并为柔性关节机械臂末端轨迹跟踪控制设计了基于奇异摄动的自适应PD控制算法,实现了对机械臂末端位置跟踪在空间漂浮和地面调试两阶段的控制。用奇异摄动法实现了将高阶系统降阶为两个低阶系统,即快子系统和慢子系统,再针对两子系统分别设计控制器。对控制系统进行了稳定性分析和仿真验证,结果表明设计的控制算法既可以实现在地面装调时的轨迹跟踪控制,也可以较好地实现空间漂浮状态下的轨迹跟踪控制。     

柔性关节空间机械臂奇异摄动自抗扰控制仿真研究

针对不同重力环境条件下考虑摩擦、关节刚度非线性与外扰影响的柔性关节空间机械臂的控制问题,提出了一种基于奇异摄动理论的自抗扰控制方法。首先建立了柔性关节空间机械臂在地面重力和空间微重力环境下的动力学模型;然后采用奇异摄动法将系统模型分为快变子系统和慢变子系统,针对快变子系统设计速度反馈控制律来抑制柔性关节的振动,针对慢变子系统设计加入前馈补偿的自抗扰控制器(ADRC)来抵抗系统的内外扰动,并对系统进行了稳定性分析;最后对设计的控制器进行了仿真验证与对比研究。仿真结果表明,采用该方法,在不同重力环境下柔性关节空间机械臂均能实现很好的轨迹跟踪和抖振抑制,且能有效抵抗内外扰动,系统具有鲁棒性。     

参数不确定与有界干扰自由飘浮柔性空间机械臂基于速度观测器的奇异摄动鲁棒控制及振动抑制

讨论载体位置、姿态均不受控情况下系统参数不确定与有界干扰自由漂浮柔性空间机械臂基于速度观测器的奇异摄动鲁棒控制及振动抑制问题。利用拉格朗日方程结合动量守恒原理获得自由飘浮柔性空间机械臂系统动力学方程;用奇异摄动法将柔性空间机械臂系统分解为关于关节轨迹跟踪的慢变子系统与描述柔性杆件振动的快变子系统。以此为基础,提出含慢、快变控制项的复合控制器。将动态滑模观测器与鲁棒控制结合,获得系统慢变控制力矩实现关节轨迹跟踪。对快变子系统基于线性观测器及线性系统最优控制理论获得系统快变控制力矩实现柔性杆振动抑制。并数值仿真证实方法的有效性。该控制方案仅需精确的载体姿态、关节角位置及柔性振动模态坐标反馈,而无需测量载体姿态角速度、关节角速度及角加速度、柔性振动模态坐标导数及漂浮基位置、移动速度、移动加速度。     

漂浮基柔性空间机械臂关节运动的分块神经网络控制及柔性振动模糊控制

讨论了载体位置不受控、姿态受控情况下,漂浮基柔性空间机械臂关节运动及柔性振动主动抑制的控制问题。由系统动量守恒关系及假设模态法,利用拉格朗日方法建立了漂浮基柔性空间机械臂的系统动力学方程。之后采用奇异摄动理论,将其分解为表示刚性运动的慢变子系统和柔性振动的快变子系统。据此,设计了柔性空间机械臂系统载体姿态及机械臂关节铰协调运动的组合控制器。针对慢变子系统——柔性空间机械臂的刚性运动,设计了分块神经网络控制器,以完成系统参数未知情况下关节空间协调运动的轨迹跟踪;而对于快变子系统——柔性臂的振动,则设计了模糊控制器来主动抑制柔性杆的振动。数值仿真证实了提出方法的有效性。     

柔性空间机械臂基于奇异摄动法的鲁棒跟踪控制和柔性振动主动控制

讨论了载体位置不受控、姿态受控情况下,具有不确定参数的漂浮基柔性空间机械臂关节轨迹跟踪鲁棒控制和柔性振动主动控制问题。利用拉格朗日方程和假设模态法并结合系统线动量守恒关系,对柔性空间机械臂系统进行动力学分析,发现所得到的动力学方程仍关于一组组合惯性参数保持惯常的线性函数关系。以此为基础,使用奇异摄动法和两种时间尺度的假设,将系统分解为轨迹跟踪控制器和振动控制器可分开设计的奇异摄动系统。对于快变子系统,使用全局最优控制来对柔性杆件的振动进行主动抑制。同时,针对系统参数不确定情况下,设计了鲁棒控制器来保证慢变子系统关节轨迹的跟踪。系统数值仿真结果证实了所设计控制器的有效性。     

飘浮基两杆柔性空间机械臂基于速度观测器的增广自适应控制

讨论了载体位置、姿态均不受控情况下,存在外部扰动漂浮基两杆柔性空间机械臂的基于速度观测器的增广自适应运动控制与振动最优控制问题。选择合适的联体坐标系,利用Lagrange方法并结合动量守恒原理建立了飘浮基两杆柔性空间机械臂系统的动力学方程。利用奇异摄动法,将两杆柔性空间机械臂系统分解为一个关于载体姿态、关节轨迹跟踪的慢变子系统与一个描述柔性杆振动的快变子系统。以此为基础,提出了一个包含慢变控制项与快变控制项的复合控制器。利用自适应滑模观测器得到慢变子系统的观测速度向量,基于这个观测速度向量设计得到系统的增广自适应慢变控制律来实现关节轨迹的跟踪。利用线性观测器得到快变子系统的观测速度向量,基于这个观测速度向量并运用线性系统的最优控制理论得到了系统的快变控制律来实现柔性杆振动最优控制。系统的数值仿真证实了方法的有效性。该控制方案不需直接测量关节角速度、关节角加速度与柔性振动模态坐标导数以及漂浮基的位置、移动速度、移动加速度。     

关节柔性的漂浮基空间机器人基于奇异摄动法的轨迹跟踪非奇异模糊Terminal滑模控制及柔性振动抑制

如果在漂浮基空间机器人系统动力学建模和控制方法设计过程中忽略关节柔性的存在,其控制系统的精度和稳定性将受到极大影响。以考虑关节柔性、系统参数不确定的漂浮基空间机器人系统为研究对象,讨论了其动力学建模过程、运动轨迹跟踪控制方案设计及柔性振动振动抑制。结合拉格朗日第二类方法并结合系统动量、动量矩守恒关系,分析、建立了系统动力学方程。以此为基础,为了同时实现空间机器人运动轨迹的渐近跟踪和抑制由关节柔性引起的系统弹性振动,采用奇异摄动理论的双时间刻度分解,将系统分解为表示系统刚性运动部分的慢时标子系统和表示系统柔性运动部分的快时标子系统。针对慢时标子系统设计了非奇异模糊Terminal滑模控制方案。该控制方案采用非奇异Terminal滑模面,并基于模糊逻辑系统自适应调整控制律的切换项,不但克服了在设计中需要知道系统不确定性的上界的限制,又消除了滑模变结构控制器抖振的缺点。针对快时标子系统,采用速度差值反馈控制律来抑制关节柔性引起的系统弹性振动,保证系统的稳定性。仿真时以平面两刚性臂、两柔性关节的漂浮基空间机器人系统为例证明了所提出方法的有效性。     

姿态受控柔性臂空间机器人的自适应神经网络容错控制及残振抑制

针对执行器发生部分失效故障的漂浮基姿态受控柔性臂空间机器人系统,研究了执行器故障的容错控制及柔性臂杆残余振动的主动抑制。结合假设模态法、线动量守恒定理和第二类拉格朗日方程建立了系统的动力学微分方程。基于奇异摄动理论将系统分解为一个表征载体姿态与关节轨迹跟踪的慢变子系统和一个表征柔性臂杆残余振动的快变子系统;据此设计了由慢变子系统的自适应神经网络容错控制器与快变子系统的线性二次型最优调节器组成的复合控制器;其中,慢变子系统的容错控制器使得系统对执行器故障不敏感,保证了跟踪误差的渐进收敛;快变子系统的最优调节器可以有效地抑制柔性臂杆引起的残余振动,减少能量损耗。对比数值仿真校验了理论推导的正确性与复合控制策略的可行性。     

基于滑模变结构的柔性机械臂振动控制

目的为了消除柔性机械臂的弹性振动,保证机械臂稳定运行。方法以水平运动的单杆柔性机械臂为研究对象,建立动力学模型,并以此为依据运用奇异摄动法将动力学方程分解为慢变和快变2个子系统,对2个子系统分别采用反演滑模变结构和模糊控制的手段进行控制,最后利用ADAMS和Matlab软件进行联合仿真,将控制结果与传统PID控制进行对比分析。结果稳定时间、振动量、角速度、控制力矩都得到提高,此种控制方式与传统的PID控制相比,平稳时间缩短了75%。结论该控制方法能够很好地对柔性机械臂进行振动控制,且控制效果明显强于传统的PID控制。     

柔性基、柔性铰空间机器人基于状态观测的改进模糊免疫混合控制及抑振研究

研究了在有界外部扰动、基座姿态控制输入比例不确定影响下,柔性基、柔性铰空间机器人系统的刚性轨迹跟踪控制及柔性振动抑制问题。结合系统动量守恒原理、拉格朗日法并应用柔性补偿与奇异摄动技术,建立了柔性基、柔性铰空间机器人的奇异摄动动力学方程。为消除系统外部扰动、不确定控制输入比例对空间机器人轨迹跟踪精度的影响,在传统免疫控制算法基础上引入线性速度观测器及模糊控制器,提出一种基座姿态与机械臂各关节协调运动且不依赖于被控慢变子系统模型的改进模糊免疫混合控制律。为主动抑制基座、关节所产生的双重柔性振动,针对快变子系统提出一种基于线性状态观测器的最优控制律。综合上述两个控制律,得到了一种改进模糊免疫混合控制及抑振方案。所提控制方案无需在实时控制过程中对空间机器人的相关速度信号进行测量与反馈,并对系统不确定性保持有很强的鲁棒性。仿真实验结果证实了方案在系统刚、柔性运动控制上的有效性。     

基于奇异摄动法的FFFSR全局滑模跟踪控制及ESO振动抑制

针对存在参数不确定性和有界干扰的情况,讨论了自由漂浮柔性空间机器人(FFFSR)关节轨迹跟踪控制与柔性振动主动抑制的问题。利用奇异摄动法将系统分解为关节轨迹跟踪的慢变子系统和描述柔性振动的快变子系统,进而提出含慢、快变控制项的组合控制器;设计一种改进的全局滑模函数,利用低通滤波器抑制滑模抖振,实现全局鲁棒、快速收敛的关节轨迹跟踪;对于快变子系统,采用扩张状态观测器(ESO)对不易测量的柔性模态坐标导数和不确定扰动进行估计,并结合LQR方法,对柔性振动进行主动抑制。数值仿真表明,该组合控制器可以在有效抑制柔性振动的同时实现对期望关节轨迹的稳定跟踪。     

力矩受限的柔性关节空间机器人的鲁棒模糊滑模控制

讨论了力矩受限情况下具有柔性关节、外部扰动和参数不确定的漂浮基空间机器人系统的动力学建模、运动控制和柔性振动抑制。利用拉格朗日方程和系统的动量、动量矩守恒关系建立系统动力学方程。并基于奇异摄动理论,将系统分解为独立时间尺度的慢变子系统和快变子系统。针对慢变子系统,设计了一种基于双曲正弦函数的鲁棒模糊滑模控制方法,该方法不需要知道系统的精确模型,能够补偿柔性关节带来的系统转角误差,实现空间机器人期望运动轨迹的渐进跟踪。双曲正弦函数的运用有效地降低了控制力矩的幅值,从而使得控制系统能够适应空间实际中力矩受限的情况。而针对快变子系统,设计了速度差值反馈控制方法以抑制柔性关节引起的系统振动,保证系统的稳定性。仿真结果证明了该文所提出的混合控制方法的有效性。     

基于奇异摄动理论的电液伺服系统Backstepping滑模自适应控制

针对电液伺服位置跟踪系统中存在的非线性特性、系统参数和外部负载的非匹配不确定性,提出了基于奇异摄动理论的电液伺服系统的Backstepping滑模自适应控制。利用奇异摄动中双时间刻度理论将原系统分解为快慢变子系统,分别设计快变和慢变子系统的控制律,再合成得到复合控制器。应用Backstepping的逆向递推方法有效地解决了高阶非线性系统的控制问题,用滑模方法抑制系统的外部扰动,对系统的不确定性参数进行自适应估计。数字仿真的结果验证了所设计控制器的正确性和有效性。     

基于模糊自整定PID算法的压电柔性机械臂振动控制研究

柔性臂运行过程中的振动降低了其定位和操作精度,不同控制算法时的柔性臂抑振效果也不相同。针对刚-柔-电耦合的双连杆压电柔性机械臂,提出基于模糊自整定PID算法的柔性臂振动主动控制方法。利用MATLAB软件中的模糊工具箱,建立有效的模糊规则,实现了PID参数在线自整定模糊控制系统的设计与仿真。与常规PID控制算法相比较,仿真及实验结果表明:两种算法均能抑制柔性机械臂的振动,但模糊自整定PID控制器具有响应快、鲁棒性好、调整方便等优点,并更好地改善了控制系统的动态性能。     

伸缩因子优化机械臂轨迹跟踪控制的误差分析

提出了一种通过伸缩因子在线调节论域来优化机械臂轨迹跟踪控制的变论域模糊控制方法。首先设计了一种与关节角度偏差和偏差变化率动态加权相关的比例-指数混合型伸缩因子;然后,运用时间最优轨迹规划算法获取机械臂笛卡尔空间的期望关节轨迹;最后,基于所设计的变论域模糊控制器实现了一种三关节机械臂轨迹跟踪控制仿真,并分析了轨迹跟踪误差。仿真结果表明: 所设计的基于比例-指数混合型伸缩因子的变论域模糊控制器应用于机械臂轨迹跟踪的控制效果良好,具有响应速度快、无超调、稳态误差小的优点。     

不同重力环境下的柔性关节空间机械臂自适应鲁棒控制

研究了柔性关节空间机器人在不同重力环境下的轨迹跟踪控制。首先建立了地面重力环境下和空间微重力环境下的柔性关节机器人模型,这两个模型均考虑了摩擦带来的影响,然后提出一种基于奇异摄动理论的自适应鲁棒控制柔性关节空间机械臂的方法。该方法为被控对象中的重力项设计了自适应律来实时估计补偿,并加入鲁棒项对逼近误差和其它干扰项进行补偿。用该方法设计了控制器系统,并对其进行了稳定性分析和仿真研究。仿真结果表明,该控制器可以有效消除重力环境变化带来的影响,也可以有效抑制柔性关节引起的系统高频谐振等问题,具有很好的跟踪效果,对柔性关节空间机器人的轨迹跟踪控制具有重要的工程应用价值。     

柔性机械臂的轨迹跟踪与振动模糊控制

由于柔性机械臂的动态模型较为复杂,传统的基于模型的控制策略一般难以处理.基于PD型模糊控制器,提出一种基于新型的模糊控制的柔性机械臂轨迹跟踪与振动控制策略.首先推导用于柔性机械臂角控制的PD型并联模糊控制器,随后将其改进,提出了一种非并联型模糊控制器,并结合输入整形策略,推导了一种新型的柔性机械臂的混合模糊控制器.在此基础上,构建了柔性机械臂实验平台,开展实时控制实验,给出了相关的时域和频域控制效果.相关的实验结果表明,所提出的新型模糊控制器能够较好地完成柔性机械臂的轨迹跟踪任务,并显著降低柔性机械臂的振动.     

不同重力环境下空间机械臂轨迹跟踪的自适应反演滑模控制

针对空间机械臂由地面装调到空间应用过程中重力的变化会对机械臂运动所需的驱动力矩及轨迹跟踪精度产生影响的问题,提出了用自适应反演滑模控制器对空间机械臂的末端进行跟踪控制的方法。该控制器根据反演原理设计,通过将重力项视为扰动并采用自适应律对扰动进行在线估计,从而使空间机械臂在地面重力及空间微重力两种环境下均能取得很好的轨迹跟踪效果。基于李雅普诺夫理论证明了这种控制的稳定性,仿真结果验证了这一控制方法的有效性。将轨迹跟踪的仿真结果与PD控制进行了比较,比较结果显示了该控制方法的优越性。     

柔性空间机器人基于关节柔性补偿控制器与虚拟力概念的模糊全局滑模控制及振动主动抑制

空间机器人系统的柔性主要体现在空间机器人的臂杆和连接各臂杆之间的铰关节;由于空间机器人系统结构的复杂性,以往研究人员对同时具有柔性关节和柔性臂的系统关注不够;为此讨论了参数不确定情况下柔性关节、柔性臂空间机器人系统的动力学模拟、运动控制方案设计和以及臂、关节双重柔性振动的分阶主动抑制问题。依据线动量、角动量守恒关系并基于拉格朗日方程、线性扭转弹簧及假设模态法推导了系统动力学模型;以此为基础;针对空间机器人实际应用中各关节铰具有较强柔性的情况,引入了关节柔性补偿控制器并结合奇异摄动技术将整个系统分解成独立时间尺度的电机力矩动力子系统和柔性臂子系统;针对电机力矩动力子系统,设计了力矩微分反馈控制器来抑制关节柔性引起的系统弹性振动;针对柔性臂子系统,提出了一种基于虚拟力概念的自适应模糊全局滑模控制方案,由于运用了虚拟力的概念,从而通过仅设计一个控制输入就可达到既跟踪期望轨迹又抑制柔性臂柔性振动的控制目标。计算机数值仿真对比实验证实了该方法的可靠性和有效性。     

传动柔性及负载变化弹药传输机械臂位置控制及柔性振动抑制

针对现有坦克自动装弹机无法实现任意角度装填问题,设计出两自由度的弹药传输机械臂。研究考虑链条、转铰柔性且负载变化情况弹药传输机械臂位置控制与柔性振动抑制。将链条与转铰简化为线性无惯量弹簧,采用第二类Lagrange方法建立弹药传输机械臂刚柔耦合动力学模型。基于奇异摄动技术设计系统混合控制策略,柔性振动抑制采用速度反馈控制;刚性部分大范围运动采用基于隐式Lyapunov函数的连续时变增益PD控制,控制器增益为系统状态变量的可微函数,随系统状态变量逐渐趋向于零,增益逐渐趋于无穷大,而控制力始终保持在有界范围内。仿真结果显示,该混合控制器能克服负载变化及柔性振动影响,实现弹药传输机械臂点到点位置控制及柔性振动抑制,具有较强的鲁棒性。