本文關(guān)鍵詞：多剛體系統(tǒng)擴(kuò)展層級(jí)建模與約束跟隨控制方法研究

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【摘要】：伺服約束控制是指通過(guò)給系統(tǒng)提供一定約束力,使系統(tǒng)主動(dòng)滿足約束條件的一種控制方法,是近年來(lái)多剛體系統(tǒng)控制領(lǐng)域的前沿課題之一。伺服約束方法不同于傳統(tǒng)約束問(wèn)題借助系統(tǒng)結(jié)構(gòu)或外部環(huán)境來(lái)實(shí)現(xiàn)約束的方式,采用伺服控制來(lái)改變系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)狀態(tài)并使之滿足既定約束條件,將約束實(shí)現(xiàn)從結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)問(wèn)題轉(zhuǎn)換為控制問(wèn)題——即約束跟隨控制。目前,對(duì)多剛體系統(tǒng)約束跟隨控制方法的研究還存在一些難點(diǎn),主要包括:復(fù)雜多剛體系統(tǒng)的建模問(wèn)題、模型不確定性的描述方法、帶有非線性和不確定性系統(tǒng)的控制問(wèn)題等。因此,本文探索了能夠獲取解析模型和提高建模效率的新方法,引入更實(shí)際和準(zhǔn)確的不確定性描述方法,研究了在約束跟隨控制中通用的非線性魯棒控制方法及其優(yōu)化,論文完成的主要工作如下:(1)利用Udwadia-Kalaba理論,對(duì)多剛體系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)建模方法進(jìn)行了研究,提出了擴(kuò)展的層級(jí)建模方法,解決了質(zhì)量矩陣奇異時(shí)多剛體系統(tǒng)模型無(wú)解的問(wèn)題,以及外力模型與約束力模型耦合時(shí)的解耦問(wèn)題,建立的多剛體系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)解析模型更適用于約束跟隨控制;借助Udwadia-Kalaba理論,論證了Rosenberg非理想約束嵌入法的有效性,為擴(kuò)展層級(jí)建模過(guò)程中采用嵌入法對(duì)非完整約束進(jìn)行簡(jiǎn)化提供了理論依據(jù)。(2)基于自然約束條件的約束力模型,提出了一種多剛體系統(tǒng)的約束跟隨控制方法,實(shí)現(xiàn)對(duì)目標(biāo)約束的跟隨控制;針對(duì)理想和非理想目標(biāo)約束條件,設(shè)計(jì)了兩種自適應(yīng)魯棒控制器,保證了系統(tǒng)在不確定因素影響下的跟隨性能,即系統(tǒng)跟隨誤差有界;將非理想約束力模型作為控制器算法的一部分,對(duì)系統(tǒng)的摩擦阻力進(jìn)行補(bǔ)償控制;無(wú)需不確定因素的準(zhǔn)確上界信息,僅需其取位范圍有界,利用自適應(yīng)參數(shù)對(duì)邊界信息進(jìn)行在線估計(jì),并根據(jù)估計(jì)的邊界值設(shè)計(jì)魯棒控制器增益;設(shè)計(jì)了帶有泄漏項(xiàng)和死區(qū)的控制算法,能夠減小控制系統(tǒng)成本、提高運(yùn)行速度。(3)從約束跟隨角度,對(duì)多剛體系統(tǒng)軌跡跟蹤控制進(jìn)行了詮釋,將軌跡跟蹤誤差為零視為系統(tǒng)約束,提出了一種新的軌跡跟隨控制方法;利用目標(biāo)軌跡構(gòu)造約束條件,通過(guò)對(duì)約束條件的跟隨來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)目標(biāo)軌跡的跟蹤;與傳統(tǒng)軌跡跟蹤控制方法相比,該方法無(wú)需對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行線性化處理,控制器設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單,計(jì)算量小,適合在線控制。(4)用模糊集合理論描述了多剛體系統(tǒng)不確定性,提出多剛體系統(tǒng)的約束跟隨控制及其優(yōu)化設(shè)計(jì)方法;設(shè)計(jì)了一個(gè)約束跟隨控制器,令系統(tǒng)在模型和約束均存在不確定性時(shí)仍具有有界性;與過(guò)去基于IF-THEN規(guī)則的模糊控制方法不同,該方法無(wú)需對(duì)系統(tǒng)模型進(jìn)行局部線性化,可以令控制系統(tǒng)得到精確定義的性能指標(biāo);基于系統(tǒng)不確定性的模糊信息,建立了一個(gè)新的系統(tǒng)二次性能指標(biāo),綜合考慮了系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)性能、瞬態(tài)性能和控制成本;提出了針對(duì)該二次性能指標(biāo)的優(yōu)化設(shè)計(jì)目標(biāo),證明了該優(yōu)化目標(biāo)函數(shù)全局解存在且唯一,給出了系統(tǒng)最優(yōu)性能指標(biāo)和最優(yōu)解的解析表達(dá)式。(5)以挖掘機(jī)器人為研究對(duì)象,首次將本文提出的擴(kuò)展層級(jí)建模與約束跟隨控制方法應(yīng)用于挖掘機(jī)器人在挖掘過(guò)程中的軌跡跟蹤控制;采用本文提出的擴(kuò)展層級(jí)建模方法建立了挖掘機(jī)器人的動(dòng)力學(xué)解析模型,得到了挖掘工作阻力的解耦模型;以所建立的挖掘機(jī)器人系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)解析模型為基礎(chǔ),應(yīng)用了本文提出的約束跟隨控制方法,針對(duì)理想和非理想約束條件下的軌跡跟隨控制問(wèn)題設(shè)計(jì)了相應(yīng)的自適應(yīng)魯棒控制器;對(duì)控制系統(tǒng)進(jìn)行了數(shù)值仿真,驗(yàn)證了擴(kuò)展層級(jí)建模方法的可行性和約束跟隨控制方法的有效性。
【學(xué)位授予單位】：長(zhǎng)安大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2015
【分類(lèi)號(hào)】：TP13

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本文編號(hào)：1250131