【摘要】：隨著機器人技術(shù)的不斷發(fā)展,研究輕質(zhì)、高速、低能耗、重載以及高精度的機器人已成為社會發(fā)展的需求。因此,柔性機械臂這一滿足以上需求的典型剛?cè)狁詈隙囿w系統(tǒng)的研究也應(yīng)運而生。柔性機械臂系統(tǒng)是典型的非線性、強耦合、多輸入多輸出(Multi-input and Multi-output,MIMO)以及自然不穩(wěn)定系統(tǒng),由于其結(jié)構(gòu)柔性,運動特性比較復(fù)雜,因此是控制系統(tǒng)中較為復(fù)雜的被控對象。二自由度(Two Degree Of Freedom,2DOF)柔性機械臂作為一個模塊化結(jié)構(gòu)且成本低廉的實驗平臺,可以用來檢驗各種控制算法,為研究與設(shè)計機械臂控制算法提供了方便。本論文以加拿大QUANSER公司研發(fā)生產(chǎn)的二自由度柔性機械臂為實驗平臺,針對系統(tǒng)存在的建模誤差以及未知外界干擾等控制問題,結(jié)合干擾觀測器方法,設(shè)計了魯棒滑�？刂品椒ā＞唧w研究內(nèi)容如下:首先,根據(jù)2DOF柔性機械臂系統(tǒng)結(jié)構(gòu)以及運動特性,參考了相關(guān)文獻以及實驗指導(dǎo)手冊,建立了2DOF柔性機械臂系統(tǒng)的線性與非線性數(shù)學(xué)模型。其次,針對2DOF柔性機械臂系統(tǒng)的線性數(shù)學(xué)模型,忽略系統(tǒng)建模誤差,只考慮系統(tǒng)存在的未知外界干擾信號,將外界未知干擾等效成輸入干擾(Equivalent Input Disturbance,EID),設(shè)計了基于滑模干擾觀測器的跟蹤控制器。所設(shè)計的滑模干擾觀測器能夠有效地補償外界擾動;且控制器結(jié)構(gòu)簡單,易于實現(xiàn)。MATLAB數(shù)值仿真結(jié)果顯示了所設(shè)計的基于滑模干擾觀測器的跟蹤控制器可以保證存在未知外界干擾的2DOF柔性機械臂系統(tǒng)具有良好的跟蹤性能與魯棒性。實驗結(jié)果也驗證了所設(shè)計控制算法的有效性。然后,針對2DOF柔性機械臂系統(tǒng)的線性模型,考慮輸入通道存在的外部未知干擾以及狀態(tài)未知等問題,設(shè)計了一種基于觀測器的魯棒控制方法并應(yīng)用到了2DOF柔性機械臂的各級系統(tǒng)中。觀測器主要由狀態(tài)觀測器與干擾觀測器組成,利用狀態(tài)觀測器來估計系統(tǒng)未知狀態(tài),干擾觀測器主要用來估計由含有不確定性的外部系統(tǒng)所產(chǎn)生的未知干擾;最后,根據(jù)Lyapunov函數(shù)證明了各個子系統(tǒng)的穩(wěn)定性,仿真結(jié)果與實驗結(jié)果也表明了在所設(shè)計的控制器的作用下,2DOF柔性機械臂各個子系統(tǒng)具有良好的位置跟蹤性能。接著,針對2DOF柔性機械臂具有建模不確定性以及未知外界干擾的情況,設(shè)計了基于非線性干擾觀測器的趨近律滑�？刂破�,并應(yīng)用于2DOF柔性機械臂位置跟蹤控制。設(shè)計的非線性干擾觀測器能夠有效地估計系統(tǒng)建模不確定性與未知外界干擾組成的復(fù)合干擾,設(shè)計的趨近律滑�？刂破髂軌蛄己玫貙崿F(xiàn)2DOF柔性機械臂的位置跟蹤。通過Lyapunov函數(shù)證明了整個閉環(huán)系統(tǒng)的穩(wěn)定性。數(shù)值仿真結(jié)果表明,系統(tǒng)在存在復(fù)合干擾的情況下,所設(shè)計的控制器仍能保證位置跟蹤控制的穩(wěn)定性。同時,實驗結(jié)果也驗證了所設(shè)計的控制器具有良好地位置跟蹤性能。最后,繼續(xù)考慮存在建模誤差以及外界未知干擾的2DOF柔性機械臂非線性系統(tǒng),研究了一種基于二階非線性干擾觀測器的反演滑模控制方法。設(shè)計的二階非線性干擾觀測器主要用來補償系統(tǒng)中的建模誤差以及未知外界擾動,反演滑�？刂破饔脕硖幚�2DOF柔性機械臂的位置跟蹤控制。采用Lyapunov函數(shù)證明了整個2DOF柔性機械臂閉環(huán)系統(tǒng)的穩(wěn)定性。數(shù)值仿真結(jié)果表明了,在建模不確定以及外界未知干擾的影響下,所設(shè)計的控制器仍能保證2DOF柔性機械臂系統(tǒng)跟蹤期望位置信號。同時,實驗結(jié)果也證明了所設(shè)計的基于二階非線性干擾觀測器的反演滑模控制器能夠保證閉環(huán)系統(tǒng)具有良好的位置跟蹤效果。
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【學(xué)位授予單位】：南京航空航天大學(xué)
【學(xué)位級別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2017
【分類號】：TP273;TP241

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本文編號：2276889