并联机构驱动奇异的分层递阶滑模控制方法

以提高奇异鲁棒稳定性、控制精确性和降低控制能耗为目标,研究了并联机构的驱动奇异运动控制。以3-RPR型并联机构为例,运用螺旋理论和多刚体动力学理论进行了运动学分析和动力学建模;分别采用基于分层递阶结构的滑模控制方法和基于伪逆的滑模控制方法设计了运动控制器,对工作空间内不同的典型奇异位置进行了镇定控制仿真。结果表明,这两种控制方法均可达到较高的控制精度和较快的响应速度,且前者控制输入量更小、能耗更低。     

3-RPS并联机构滑模变结构控制系统设计

针对并联机构传统控制器轨迹跟踪精度较低的问题,设计了一种基于并联机构动力学方程和比例切换控制律的滑模变结构控制器(SMC)。首先,建立机构的Matlab/Sim Mechanics仿真分析模型,采用微位移法求解并联机构的Jacobian矩阵及通过工作空间分析确定机构的最佳尺寸参数,为控制系统提供理论参考输入值。其次,设计滑模变结构控制器,运用Lyapunov函数证明滑模变结构控制器的稳定性;最后,建立机构的PID控制和SMC控制系统Matlab/Simulink框图,分别对其进行仿真分析与对比。结果表明,SMC控制器的轨迹跟踪精度比PID控制器的精度高,稳态误差小,且鲁棒性强,响应速度快,从而验证了SMC控制的有效性。     

4-SPS(PS)并联机构模糊自适应滑模控制系统设计

针对并联机构传统控制方式轨迹跟踪精度误差较大的缺陷,提出了一种基于4-SPS(PS)并联机构的动力学方程和模糊自适应(Fuzzy-Adaptive SMC)滑模控制器的控制系统。首先,基于螺旋理论及反螺旋理论,设计了一种4-SPS(PS)并联机构,并采用微运动法(Micro-Motion Method)对机构的运动学方程进行了探讨。其次,基于机构的动力学方程,结合模糊自适应算法,设计了一种新型滑模控制器(SMC),模糊自适应算法的作用是实时地修正系统的不确定和非线性项参数,有效抑制了SMC系统的抖振现象。最后,建立了机构的系统仿真框图和实验平台,分别对机构进行仿真分析和实验研究。结果表明:模糊自适应滑模变结构控制器的轨迹跟踪精度高,鲁棒性强,稳态误差小,从而验证了该新型SMC控制器的有效性。     

3-HSS并联机床动力学建模及鲁棒轨迹跟踪控制

研究一种3-HSS并联机床动力学建模及鲁棒轨迹跟踪控制方法。首先导出了外移动副驱动,含平行四边形支链结构的并联机构位置、速度及加速度逆解模型,并利用虚功原理建立其刚体动力学逆解模型。在此基础上,考虑其运动部件重力及模型误差,为保证其跟踪精度,设计了一种鲁棒轨迹跟踪控制器,确保了跟踪误差的一致终值有界性。最后通过对全工作空间内圆形轨迹的仿真可知该控制方法具有很好的稳定性和有效性。     

3自由度柔性并联机构自抗扰控制研究

由于柔性并联机构传统控制策略存在轨迹跟踪精度误差较大的问题,设计了一种基于3-PRR柔性并联机构的自抗扰控制器(ADRC).首先,采用闭环矢量法得到了机构的输入输出Jacobian矩阵,为机构控制提供了输入值;然后,分别设计了PID控制器和ADRC控制器,运用李雅普诺夫(Lyapunov)函数证明了ADRC控制器的稳定性;最后,分别采用PID控制和ADRC控制研究了机构在3个方向的位移追踪误差.结果表明:ADRC控制器的位移轨迹跟踪误差比PID控制器低,控制精度高,反应速度快,稳定性强,验证了柔性并联机构ADRC控制的可行性.     

3-RPS并联机器人动力学分析及控制

运用牛顿—欧拉方法建立3-RPS并联机器人机构的逆动力学模型。通过使用Simmechanics将并联机器人物理模型导入Matlab/Simulink中,利用Simulink对机构进行动力学仿真以及验证机构的逆动力学模型。针对并联机器人的建模不确定性,提出一种基于不确定性系统的鲁棒控制方案,即分别通过基于标称模型设计系统的计算力矩控制器,来镇定标称系统;通过构建Lyapunov函数来构建系统的鲁棒补偿控制器,来消除由于建模不确定性引起的跟踪误差。通过将控制模型导入Simulink中对其控制效果进行验证,其具有较低的稳态误差精度,效果优于计算力矩控制策略。     

基于模糊滑模的机械臂鲁棒轨迹跟踪控制

针对存在外部扰动及建模误差的机械臂轨迹跟踪控制问题,提出了一种基于模糊滑模的鲁棒轨迹跟踪控制策略。在传统鲁棒控制器的基础上引入模糊滑模控制器取代等效控制项,解决了由初始系统误差较大引起的速度跳变、抖振等问题。其中模糊滑模控制器采用自适应模糊逻辑修正指数滑模趋近律中的常数项,可以优化滑动模态的品质,有效消除抖振。利用Lyapunov理论证明了系统的稳定性。仿真实验结果表明,该控制算法轨迹跟踪误差小,误差收敛速度快,具有良好的实时性。     

随机振动机械臂的自适应鲁棒滑模控制

为了解决存在外部不确定随机干扰情况下机械臂的高精度轨迹跟踪问题,提出了一种自适应鲁棒滑模控制方法,并用Lyapunov稳定性定理证明了其闭环系统的稳定性。采用饱和函数取代控制器中的符号函数,有效消除了控制器的抖振现象。仿真结果证明：与传统的PID控制器相比,提出的自适应鲁棒滑模控制器具有更高的鲁棒性、稳定性和精度。     

平面3自由度并联机构滑模变结构控制研究

平面3自由度并联机构具有良好的机构特性且实用价值较高,为提高机构的轨迹跟踪精度,提出了一种基于平面3-RRR并联机构的低通滤波滑模变结构控制(SMC)策略.在分析机构动力学方程和控制器Lyapunov稳定性基础上,搭建了平面3-RRR并联机构的控制系统框图,对机构的位移轨迹跟踪进行了实时控制.仿真结果表明:机构采用低通滤波SMC算法后,位移轨迹跟踪误差明显降低;该算法简单易实现,有效削弱了系统抖振,提高了控制系统的精度.     

基于HJI理论的双半球胶囊机器人姿态非线性控制方法

考虑到自主研发的双半球胶囊机器人系统不确定性以及外界扰动等非线性特征问题,提出了一种基于Hamilton-Jacobi不等式(HJI)理论的双半球胶囊机器人滑模鲁棒非线性控制策略.通过拉格朗日动力学原理建立双半球胶囊机器人被动模态的动力学模型,并将Hamilton-Jacobi不等式理论应用于设计滑模鲁棒的控制律来确保控制系统的稳定性.此外,通过Lyapunov方程验证了该双半球胶囊机器人基于HJI理论的滑模鲁棒控制系统的有效性,并对所设计的控制器进行了仿真实验,仿真和实验结果表明所设计的控制策略能有效地抑制外部干扰对控制误差的影响,提高了双半球胶囊机器人系统的控制精度.     

基于扩展干扰观测器的主动升沉补偿系统自适应鲁棒控制

针对不确定性及外部干扰下主动升沉补偿系统的非线性控制问题,提出一种基于扩展干扰观测器自适应鲁棒控制器。扩展状态观测器将外部扰动扩张成新的状态变量,利用输出反馈观测扩张的状态。基于反步法构建自适应控制器,结合拓展状态观测器处理系统方程存在的建模误差、外干扰、不确定性及参数不确定性。基于滑模控制方法,设计非线性滑模反馈律,从而提高系统在外部干扰下的鲁棒性能。最后,通过李雅普诺夫函数证明整个闭环系统的稳定性。基于升沉补偿电液伺服系统进行仿真实验,结果表明:所设计控制器在存在不确定性及外部干扰的情况下具有良好的控制精度及鲁棒性。     

电液伺服液压执行机构高精度位置伺服控制研究

鉴于电液伺服阀控机构在液压控制系统的重要性,其位置伺服系统动态复杂多变,传统的PID位置伺服控制算法无法满足控制要求,该文以液压阀控缸执行机构为例,提出了一种基于鲁棒滑模控制算法,提高了传统液压缸执行机构位置精度,使得系统具有较强的抗干扰能力。首先,对液压执行机构组成结构和系统原理进行阐述;然后根据原理图建立执行机构理论数学模型,并设计了鲁棒滑模控制器(SMC);最后,搭建液压执行机构实验平台,将滑模控制算法和传统PID控制算法进行位置控制实验,对比分析两者位置伺服控制响应速度和控制精度,实验结果表明本文设计的滑模控制算法的正确性和有效性,为今后液压执行机构位置控制上提供参考。     

基于动态模糊神经网络的并联机器人鲁棒复合控制研究

针对6-DOF并联机器人液压伺服系统存在参数摄动和外界不确定性因素干扰的问题,提出了一种基于动态模糊神经网络的鲁棒复合控制策略。在充分分析了液压伺服系统的基础上,对控制系统进行了PD控制器、鲁棒内回路控制器、零相位误差跟踪控制器以及动态模糊神经网络控制器的设计。然后基于MATLAB软件进行了控制系统的运动性能仿真实验分析。结果表明,鲁棒复合控制器的应用在很大程度上了消除了负载交联耦合干扰对系统的影响,而且提高了系统的鲁棒稳定性。     

基于4-SPS(PS)并联机构的自动调平系统研究

为了提高自动调平系统在运用过程中的调平精度和响应速度,基于螺旋理论及反螺旋理论,提出了一种以4-SPS(PS)并联机构作为自动调平系统支撑机构的方案,并对机构的正/反解和Jacobian矩阵进行了探讨。基于并联机构运动特性,建立了机构的理论参考模型,并运用MATLAB/SimMechanics软件建立了机构的实验仿真模型,采用模拟调平信号输入对所建立的自动调平并联支撑机构进行了开环仿真研究,验证了该机构的有效性。     

疲劳试验机电液伺服系统滑模鲁棒控制的实验研究

本文以结构疲劳试验机电液位置伺服系统为被控对象,研究了当系统参数变化时,如何设计一种鲁棒 控制器来保证系统的稳定性和良好的跟踪性能,基于变结构控制的基本理论,提出了一种滑模控制器设计方法,并 通过实验证明了该方法的有效性。     

疲劳试验机电液伺服系统的滑模鲁棒控制的实验研究

本文以结构疲劳试验机电液位置伺服系统为被控对象,研制了当系统参数变化时,如何设计一种鲁棒控制器来保证系统的稳定性和良好的跟踪性能,基于变结构控制的基本理论,提出了一种滑模控制器设计方法,并通过实验证明了该方法的有效性。     

3-RPC并联机构微运动分析及控制仿真

采用微运动法求解并联机构的Jacobian矩阵,可避免传统螺旋法解超越方程组的难题,且得到的矩阵是非奇异方阵。基于3-RPC并联机构模型,运用微运动法求解机构的Jacobian矩阵,将其作为控制系统的输入输出理论参考值。建立机构的Solid Works三维模型,并转化为Matlab/Sim Mechanics仿真分析模型。基于比例切换控制律设计滑模变结构控制器(SMC),采用Lyapunov函数证明SMC控制器的稳定性,分别建立PID控制器和SMC控制器的Matlab/Simulink系统框图并进行仿真分析与对比,结果表明:SMC控制器的轨迹跟踪精度比PID控制器的高,且响应速度快,鲁棒性强,从而验证了SMC控制的有效性。     

基于Matalb的纯平动3-UPU并联机构正运动位置解及工作空间分析

采用空间机构螺旋原理,分析了3-UPU并联机构的构型和纯平动特性。给出了连续型多项式代数拓扑法,构建3-UPU并联机构的正运动位置解的非线性方程组,并对方程组进行计算。该方法无需给定值就能有效逼近并联机构非线性方程组的解,且可解决方程组求解时出现的分叉和散度问题,对超越问题的解析具有重要的参考意义。基于Matlab/Simmechanics构建3-UPU并联机构PID控制模型并分析其工作空间,验证并联机构构型设计中螺旋理论应用的准确性。该方法对求解多自由度并联机构运动学问题有切实可行的借鉴意义。     

3-CP_aRR并联机构的动力学分析及滑模控制

为建立一种新型三自由度解耦并联机构(3-CP_aRR)的刚体动力学模型和滑模控制器,详细地阐述了该机构的结构组成;通过运动学约束分析,研究了该机构的运动学规律,揭示了该机构在空间正交方向上的移动完全解耦特性,确定了支链末端转动关节为消极运动副;基于运动学分析的结果,运用Lagrange方程法建立了该解耦并联机构的动力学模型;基于上述分析利用滑模面设计了该并联机构控制器,基于Lyapunov函数分析了系统稳定性;通过实例计算,分析了驱动构件的线速度、驱动力的变化规律,与ADAMS虚拟仿真结果对比验证了动力学模型的正确性,并验证了滑模控制器的有效性和稳定性。上述研究为该解耦并联机构的样机制作和实时控制系统的研究提供了理论基础。     

3-UPS/PU并联机构动力学建模及自适应滑模控制

为减少动力学模型不确定性(包括参数不确定和未知的负载干扰)对3-UPS/PU并联机构控制精度的影响,提出一种自适应滑模控制。首先在运动学反解基础上采用虚功原理建立该机构关于动平台工作空间的动力学模型。控制器结合了动力学名义模型和滑模控制理论,利用滑模面设计的自适应律可以对不确定性进行在线估计并补偿,从而提高系统鲁棒性。通过Lyapunov函数分析了系统稳定性。该控制器优点是:无需依赖不确定性上界,结构简单,易于工程应用,适用于并联机构这类复杂不确定系统。仿真结果显示,所采取的控制器能有效克服时变的模型不确定性,使动平台各自由度的平均跟踪误差相比传统滑模控制明显减少。