【摘要】：為了實現(xiàn)可工業(yè)化應用的高精度氣動并聯(lián)機器人位姿控制,滿足此類并聯(lián)機構(gòu)在大規(guī)模應用場合的成本要求,體現(xiàn)氣動伺服技術(shù)的結(jié)構(gòu)和成本優(yōu)勢,本課題選取由普通氣缸作為運動執(zhí)行器件的3-RPS形式的并聯(lián)平臺為研究對象。由于氣動系統(tǒng)具有的參數(shù)不確定、非線性特征明顯,綜合當前氣動伺服領(lǐng)域的研究成果,采用具有明顯性能優(yōu)勢的自適應魯棒控制方法,基于反步法實現(xiàn)位置-壓力-流量的期望值計算從而實現(xiàn)對比例閥的控制量計算。結(jié)合間接自適應理論,采用最小二乘法和實時更新的自適應矩陣實現(xiàn)在線參數(shù)的精確辨識。然后在此基礎上,從實際應用條件出發(fā),對基本自適應魯棒算法進行優(yōu)化和改進。提出針對負載特征辨識的改進算法和集成死區(qū)參數(shù)辨識的控制器結(jié)構(gòu),并通過設計壓力觀測器實現(xiàn)無壓力傳感器的位姿控制,極大的擴展控制器的通用型和可移植性。為了將本算法集成于小型嵌入式系統(tǒng),設計了與工業(yè)產(chǎn)品配套的嵌入式控制器,并根據(jù)實際工況,提出了閥死區(qū)切換噪聲抑制方法,進一步滿足了實現(xiàn)工業(yè)化應用的要求。本論文"氣缸驅(qū)動并聯(lián)機器人位姿控制研究"主要通過以下幾個方面展開,第一章為緒論,重點介紹了并聯(lián)機器人領(lǐng)域、氣動元器件測試與特性研究、氣動伺服控制、機電系統(tǒng)伺服控制、先進非線性控制理論等方面的研究進展,重點強調(diào)在氣動并聯(lián)平臺研究領(lǐng)域,尤其是具有較高帶負載能力、具有工業(yè)化價值的氣缸驅(qū)動形式上現(xiàn)有的控制精度并不理想,還需要在算法設計、控制器可移植性和產(chǎn)業(yè)化要求上做出重大改進。第二章為研究對象的機電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)概述和相關(guān)數(shù)學物理模型建模,諸如3-RPS并聯(lián)平臺的運動學及動力學分析,比例方向閥的壓力-流量特性分析,氣缸摩擦力、動力學和熱力學過程分析,從而建立起單軸-多軸氣動伺服系統(tǒng)的完整物理模型,為控制器的設計奠定良好的基礎。第三章首先介紹了自適應參數(shù)辨識的基本原理,即對系統(tǒng)動力學模型進行局部線性化,設計回歸矩陣和參數(shù)向量,采用最小二乘法對系統(tǒng)未知參數(shù)進行在線估計。并通過設置遺忘因子來保證時變參數(shù)的準確估計,利用非連續(xù)投影保證估計值得有界和更新速率,保證參數(shù)估計的準確收斂。隨后詳細介紹了單軸氣動伺服自適應魯棒控制算法的基本原理、推導過程和穩(wěn)定性證明。在單軸模型的基礎上,將系統(tǒng)模型擴展到三自由度并聯(lián)平臺控制系統(tǒng),建立以矩陣形式表達的并聯(lián)系統(tǒng)動力學模型,并將控制器設計用矩陣形式進行表達,滿足多軸情況下的計算要求。相應的,穩(wěn)定性證明也一并給出。隨后在對單軸系統(tǒng)、并聯(lián)平臺系統(tǒng)的軌跡跟蹤仿真結(jié)果達到預期的基礎上開展實驗研究,實驗結(jié)果在本章末尾給出。第四章在上述實驗和控制器設計的基礎上,根據(jù)系統(tǒng)特性、實際工況的相關(guān)要求,對基本間接自適應魯棒控制器進行優(yōu)化和改進。重點著眼在以下三個方面:(1)為了提高系統(tǒng)頻響,滿足此類平臺實際工況下的瞬態(tài)跟蹤性能,添加快速自適應項用于補償系統(tǒng)不確定項中的低頻部分。通過設計直接/間接集成自適應魯棒控制器,擴展了系統(tǒng)帶寬,提升了控制精度。(2)由于比例閥存在死區(qū),且任意兩個閥之間存在死區(qū)差異。所以為了滿足工業(yè)化應用的需求,集成了對死區(qū)參數(shù)的實時計算和補償,相較完美死區(qū)補償,本方法實現(xiàn)了同等精度下對死區(qū)參數(shù)的準確估計。(3)為了解決自適應辨識過程中的初值問題,尤其是實際工況下負載可能存在的巨大變化,集成了對負載初值的標定,避免出現(xiàn)因為辨識初值與實際偏離過大而導致的系統(tǒng)抖振等現(xiàn)象。通過上述三個方面的改進,極大地改善了控制器的可移植性,為未來的產(chǎn)品化實現(xiàn)掃清了諸多障礙。第五章結(jié)合若干具體應用場合,在氣動并聯(lián)機器人虛擬現(xiàn)實運動模擬環(huán)境下的典型應用為基礎展開研究討論。首先提出了完整的氣動并聯(lián)機器人虛擬現(xiàn)實環(huán)境的整體解決方案,采用模擬運動示教器器生成目標曲線模擬實際工況。同時為了解決PXI控制器不便于大規(guī)模投入應用,滿足基于自適應魯棒算法的控制器實際應用的基本要求,采用DSP模塊作為控制算法硬件核心設計制造了具有CAN總線通信功能的嵌入式控制器并將之前章節(jié)所提出的算法移植入其中,對移植后的控制器實驗研究表明其控制性能依然良好。此外針對實際工況下可能出現(xiàn)的由于比例閥死區(qū)切換而導致的噪聲和振動,采用基于軌跡分析和速度信號方向切換判別技術(shù),濾除無效切換,在保證控制器跟蹤性能的前提下,減少閥的工作噪聲,提升系統(tǒng)實際工作運動的平滑性和運動模擬的舒適性。最后在第六章,在總結(jié)本課題相關(guān)工作的基礎上,對氣動伺服系統(tǒng)及并聯(lián)平臺控制器的算法升級和產(chǎn)業(yè)化改良,提出若干可行的解決方案,以求實現(xiàn)氣動伺服控制和氣動并聯(lián)平臺及控制算法在實際工業(yè)生產(chǎn)的各行各業(yè)不斷推廣,真正為解決當下所面臨的技術(shù)短板、促進相關(guān)領(lǐng)域的協(xié)同發(fā)展做出應有的貢獻。
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【學位授予單位】：浙江大學
【學位級別】：博士
【學位授予年份】：2016
【分類號】：TP242

【參考文獻】

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本文編號：2390940