力矩受限的機(jī)器人組合非線(xiàn)性反饋控制.pdf

1、對(duì)于機(jī)器人軌跡跟蹤任務(wù)而言,動(dòng)態(tài)性能是衡量系統(tǒng)控制性能的重要指標(biāo)。眾所周知,如果不產(chǎn)生較大超調(diào),系統(tǒng)就難以取得快速響應(yīng),通常在快速響應(yīng)和較小超調(diào)之間采取折衷方式。因此,很難使跟蹤過(guò)程既快速、光滑,又不出現(xiàn)較大超調(diào)。驅(qū)動(dòng)器飽和是機(jī)器人系統(tǒng)不可避免的非線(xiàn)性因素,每個(gè)物理驅(qū)動(dòng)器都有內(nèi)在限制,當(dāng)輸入信號(hào)超過(guò)這一限制,飽和發(fā)生,導(dǎo)致閉環(huán)系統(tǒng)性能惡化。極端情況下,甚至喪失穩(wěn)定性。另外一種弱化機(jī)器人系統(tǒng)性能的非線(xiàn)性因素是摩擦力,導(dǎo)致定位偏差和抖動(dòng)。<

2、br>　　 本文從機(jī)器人關(guān)節(jié)空間軌跡跟蹤任務(wù)出發(fā),研究力矩受限的機(jī)器人運(yùn)動(dòng)控制問(wèn)題。首先,研究了高階多變量飽和線(xiàn)性系統(tǒng)的組合非線(xiàn)性反饋控制技術(shù),實(shí)現(xiàn)跟蹤時(shí)變參考輸入。而后,將其引入到機(jī)器人運(yùn)動(dòng)控制,提出了基于計(jì)算力矩的組合非線(xiàn)性反饋控制器,在一個(gè)框架內(nèi)解決了驅(qū)動(dòng)器力矩限制,補(bǔ)償摩擦影響的問(wèn)題,同時(shí)使期望的跟蹤軌跡快速、光滑。接著,研究了機(jī)器人系統(tǒng)穩(wěn)定區(qū)域問(wèn)題,采用優(yōu)化技術(shù)減小了吸引域估計(jì)的保守性。最后,為進(jìn)一步增強(qiáng)系統(tǒng)跟蹤高幅值參考輸

3、入的能力,提出了參數(shù)可調(diào)的機(jī)器人組合非線(xiàn)性反饋控制器。具體研究工作包括以下幾個(gè)方面:
　　 (1)在組合非線(xiàn)性反饋理論方面,現(xiàn)有設(shè)計(jì)方法都是針對(duì)設(shè)定點(diǎn)的跟蹤任務(wù),時(shí)變軌跡跟蹤也只涉及到SISO(Single-Input and Single-Out)飽和線(xiàn)性系統(tǒng),而對(duì)于高階多變量系統(tǒng)還沒(méi)有深入研究。為此,基于時(shí)變軌跡這一更具普遍意義的跟蹤任務(wù),分別從狀態(tài)反饋、全階輸出反饋和降階輸出反饋三方面將組合非線(xiàn)性反饋理論推廣到高階多變量飽

4、和線(xiàn)性系統(tǒng)。這樣,為力矩受限的機(jī)器人運(yùn)動(dòng)控制研究奠定理論基礎(chǔ)。
　　 (2)對(duì)機(jī)器人關(guān)節(jié)空間的軌跡跟蹤任務(wù),存在驅(qū)動(dòng)器力矩限制及摩擦影響,為此,通過(guò)內(nèi)嵌飽和函數(shù),提出了基于計(jì)算力矩的組合非線(xiàn)性反饋控制器?？刂破饔蓛蓚€(gè)環(huán)組成,內(nèi)環(huán)補(bǔ)償機(jī)器人非線(xiàn)性動(dòng)力學(xué),外環(huán)由組合非線(xiàn)性反饋實(shí)現(xiàn)鎮(zhèn)定并強(qiáng)化控制性能。分析了閉環(huán)系統(tǒng)在吸引域內(nèi)的穩(wěn)定性,除了確保穩(wěn)定性外,控制器還能夠充分利用組合非線(xiàn)性反饋的變阻尼特性。這種變阻尼特性允許快速響應(yīng)且沒(méi)有超調(diào)

5、,補(bǔ)償摩擦影響。
　　 (3)研究了機(jī)器人系統(tǒng)的穩(wěn)定區(qū)域,利用Lyapunov函數(shù)構(gòu)造橢球不變集來(lái)估計(jì)吸引域。定義了兩類(lèi)“最大”的橢球:包含初始狀態(tài)變化范圍最大和具有期望形狀且體積最大。將求解“最大”橢球問(wèn)題描述為帶有限制的優(yōu)化問(wèn)題,然后用線(xiàn)性矩陣不等式求解。利用優(yōu)化技術(shù),得到不太保守的橢球不變集,實(shí)現(xiàn)對(duì)吸引域估計(jì)。
　　 (4)為進(jìn)一步增強(qiáng)系統(tǒng)跟蹤高幅值參考輸入的能力,對(duì)控制器中的低增益項(xiàng)和高增益項(xiàng)引入可調(diào)參數(shù),提出了