自主移動機械臂控制系統的設計及仿真.pdf

1、在當今的生產生活中，移動機械臂憑借其靈活的操作能力，廣闊的應用領域以及強大的功能引起了國內外研究學者的廣泛關注。由于移動機械臂系統是典型的高度非線性、強耦合的動力學系統，加上其動力學模型中存在的不確定性，對其設計與控制提出了很高的要求?，F有文獻對于移動機械臂的研究成果大都集中在移動機械臂的運動控制方面，移動機械臂系統的穩(wěn)定性及抗干擾性還未得到很好的解決。因此，本文針對移動機械臂的控制系統進行了設計，使得移動機械臂具有較好的穩(wěn)定性和抗干擾

2、性。
　　首先，分析了具有二級倒立擺特性的移動機械臂機械結構，得到機械臂在平衡點附近具有的運動特性。接著采用能量守恒，動能定理等方法確定移動機械臂的動力學模型。進而，基于拉格朗日建模方法，得到移動機械臂的數學模型。最后考慮在測量變量的過程物質及信號的傳遞因素的影響，得到具有時滯的移動機械臂線性數學模型。
　　針對移動機械臂的線性數學模型，本文基于D-分割法及Hermite-Bielher推廣定理設計了低階控制器，實現移動機械

3、臂快速達到穩(wěn)定。針對PD控制器的設計，基于D-分割法及Hermite-Bielher推廣定理，給出了兩種確定PD控制器穩(wěn)定域的設計方法。首先，獲得比例控制參數的最大可允許穩(wěn)定范圍，然后遍歷所獲得的比例控制參數穩(wěn)定范圍，基于Hermite-Bielher推廣定理，給出不同比例控制參數值所對應的微分參數的穩(wěn)定范圍。但該方法計算量較大。為了減小計算量，又進一步基于D-分割法直接確定了PD控制器的穩(wěn)定域。只要在穩(wěn)定域中選擇控制參數，均能保證移動

4、機械臂的末端是穩(wěn)定的。針對PID控制器的設計，應用Hermite-Bielher推廣定理給出了PID控制器參數穩(wěn)定集?；谒@得的PID控制器參數穩(wěn)定集，根據H無窮性能指標對控制參數進行優(yōu)化。優(yōu)化后的PID控制參數能夠保證移動機械臂的末端在短時間內達到穩(wěn)定狀態(tài)，具有較好的穩(wěn)定性能。
　　移動機械臂在實際應用中不可避免地受到外界的擾動。為了保證移動機械臂在有外界擾動時也能維持穩(wěn)定，本文在已設計的低階控制器的基礎上，提出了具有干擾觀測

5、器的二自由度控制結構?？刂破饔蓛拳h(huán)控制器和外環(huán)控制器組成。其中，內環(huán)控制器（干擾觀測器）的主要目的是抑制來自外界環(huán)境的干擾，提高移動機械臂系統參數變動和不確定性的魯棒性;而外環(huán)控制器（低階控制器）的目的是實現期望的目標軌跡跟蹤性能。通過兩類控制器的協作控制使得移動機械臂在保證穩(wěn)定性的情況下具有良好的魯棒性。
　　本文給出的具有二級倒立擺特性的移動機械臂控制系統設計方法，為實際應用中具有不同功能的移動機械臂穩(wěn)定性的控制提供了理論基礎