發(fā)布時間：2017-12-18 21:01

  本文關鍵詞：氣缸—氣動肌肉并聯(lián)平臺位姿控制研究

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【摘要】：由于具有功率質(zhì)量比大、結(jié)構(gòu)簡單、成本低廉、清潔無污染、易維護等優(yōu)點,氣動伺服并聯(lián)平臺在仿生及工業(yè)機器人、醫(yī)療康復機構(gòu)、減震平臺等領域具有廣泛的應用背景。但由于氣動伺服系統(tǒng)的剛度較低,且具有明顯的非線性特性,實現(xiàn)對氣動伺服并聯(lián)平臺的位姿軌跡跟蹤控制仍是目前氣動伺服技術(shù)研究的一個重要方向。本論文以三自由度氣缸-氣動肌肉并聯(lián)平臺為研究對象,以實現(xiàn)運動平臺高精度位姿軌跡跟蹤控制為主要目標,使用理論-仿真-實驗三者相結(jié)合的研究方法,首先對該氣動并聯(lián)平臺系統(tǒng)進行精確的建模分析,進而深入研究該氣動伺服并聯(lián)平臺的位姿軌跡跟蹤控制策略和多平臺同步控制方法。為實現(xiàn)氣動伺服并聯(lián)平臺的高精度軌跡跟蹤控制,本論文首先對氣動肌肉的力學特性進行了建模分析和試驗研究,進而設計了動態(tài)剛度與平臺位姿控制相互分離的三自由度氣缸-氣動肌肉并聯(lián)平臺,在仿真模型上進行了基于反步法的自適應魯棒控制器設計。在此基礎上,根據(jù)并聯(lián)平臺無運動學正解解析解的特點,首先設計了位姿解算器根據(jù)氣動肌肉長度對運動平臺位姿進行實時數(shù)值求解計算,進而在工作空間中設計了積分式自適應魯棒控制器對運動平臺進行軌跡跟蹤控制。同時,在關節(jié)空間中將交叉耦合控制策略和自適應魯棒控制理論相結(jié)合,設計了積分式交叉耦合自適應魯棒控制器完成對并聯(lián)平臺的位姿軌跡跟蹤控制。實驗證明,兩種控制器均有較高的位姿軌跡跟蹤控制精度,同時具有在線參數(shù)辨識能力和控制魯棒性。此外針對多個相同結(jié)構(gòu)并聯(lián)平臺的同步控制需求,本文設計了分體式交叉耦合自適應魯棒控制器以減小同步控制誤差并增加控制器柔性。本論文分為七個章節(jié),現(xiàn)將各章內(nèi)容分述如下：第一章,詳細闡述了課題的研究背景,指出氣缸-氣動肌肉的高精度位姿軌跡跟蹤控制及多平臺位姿同步控制具有重要的現(xiàn)實意義和研究價值；簡要總結(jié)了氣動伺服控制領域的研究現(xiàn)狀；最后概括了本課題的研究意義、研究難點和主要研究內(nèi)容。第二章,對氣動肌肉的力學特性進行了分析,在力學測試實驗的基礎上提出了對現(xiàn)有力學模型的修正方式,并通過填充金屬絲的方式減小氣動肌肉的慢時變特性。在此基礎上,本章設計了氣缸-氣動肌肉并聯(lián)伺服平臺的機械結(jié)構(gòu)、氣路系統(tǒng)和伺服控制器,完成結(jié)構(gòu)上的參數(shù)匹配,并選擇合適的元器件搭建了氣動并聯(lián)平臺伺服系統(tǒng)實驗裝置。第三章,首先對氣缸-氣動肌肉并聯(lián)平臺的動力學特性與各控制閥和執(zhí)行器進行建模分析,并在MATLAB/Simulink中搭建仿真模型進行仿真分析。在此基礎上,本文采用氣缸與氣動肌肉控制相對獨立的控制策略,針對氣動肌肉強耦合、高度非線性的力學特性,設計了自適應魯棒控制器對并聯(lián)平臺進行位姿軌跡跟蹤控制。仿真結(jié)果證明該控制器能夠獲得高精度的平臺位姿控制效果,并且具有在線參數(shù)辨識能力和控制魯棒性。第四章,由于所控制并聯(lián)平臺無運動學正解解析解,首先設計了基于擬牛頓法的運動平臺位姿解算器,并在仿真實驗中證明其有效性。根據(jù)氣動肌肉的慢時變力學特性,設計了積分式直接-間接自適應魯棒控制器,在間接自適應觀測部分使用最小二乘自適應觀測器對未建模力學特性參數(shù)進行在線辨識,并對所設計控制器進行了穩(wěn)定性理論證明。在實驗中驗證了所設計積分式自適應魯棒控制器和自適應觀測器的有效性；將其與傳統(tǒng)自適應魯棒控制器的控制效果相對比,得出所設計控制器具有較高控制精度的結(jié)論,并對控制器的普遍適用性和魯棒性進行了實驗驗證。第五章,為避免使用會占用較多控制器計算資源的位姿解算器,在關節(jié)空間中設計了一種積分式交叉耦合直接-間接自適應魯棒控制器,根據(jù)交叉耦合控制策略使用同步誤差替代關節(jié)空間位姿誤差,設計最小二乘法在線參數(shù)辨識觀測器進行觀測和補償,并對所設計控制器的穩(wěn)定性進行了理論證明。為驗證控制器各部分有效性,設計了一系列控制器并在實驗中對其軌跡跟蹤控制性能加以測試。實驗結(jié)果表明,所設計積分式交叉耦合自適應魯棒控制器具有很高的控制精度與較好的魯棒性,與其他控制器的對照實驗可以證明交叉耦合控制策略及反饋積分項的有效性。第六章,為提高多平臺同步位姿軌跡跟蹤控制中的同步控制精度,本章首先針對具有相同結(jié)構(gòu)的雙并聯(lián)平臺設計了雙平臺交叉耦合自適應魯棒控制器,證明了所設計控制器的理論穩(wěn)定性,進而使用分體式設計原理設計了多平臺交叉耦合自適應魯棒控制器。在仿真實驗中對所設計雙平臺及多平臺控制器的有效性和交叉耦合控制策略的作用進行了驗證。仿真結(jié)果表明,本章所設計的交叉耦合控制策略能夠顯著減小各平臺間的同步控制誤差；所設計交叉耦合自適應魯棒控制器能夠?qū)纹脚_控制誤差及多平臺同步控制誤差進行同時鎮(zhèn)定,并且具有自適應參數(shù)辨識能力和控制魯棒性。第七章,對本論文的主要工作內(nèi)容,研究結(jié)論和創(chuàng)新點進行了歸納總結(jié),并對未來的研究工作和研究方向進行了展望。
【學位授予單位】：浙江大學
【學位級別】：博士
【學位授予年份】：2015
【分類號】：TH138;TP13

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本文編號：1305587