氣動單關(guān)節(jié)機械臂自抗擾定位及跟蹤控制研究.pdf

1、氣動技術(shù)作為一種新興的驅(qū)動和控制技術(shù)，在現(xiàn)代工業(yè)自動化生產(chǎn)、醫(yī)療服務(wù)、事故救援乃至軍事軍備和空間探索等領(lǐng)域都有很大的發(fā)展前景。其中，氣動機械臂系統(tǒng)作為氣動技術(shù)、機械設(shè)計、電子技術(shù)和現(xiàn)代控制技術(shù)相結(jié)合的產(chǎn)物，以其結(jié)構(gòu)簡單、安全可靠、維護方便和清潔性高等優(yōu)點被科研專家廣泛關(guān)注。然而，由于氣動系統(tǒng)本身存在著無法克服的強烈非線性、不確定性和外部干擾等問題，導(dǎo)致長久以來其高精度控制一直是比較棘手的問題。因此，本文從機械臂構(gòu)造的基本單元—單自由度機

2、械臂作為首要研究點，并采用自抗擾控制技術(shù)來提高系統(tǒng)定位控制和跟蹤控制的響應(yīng)速度和控制精度。
　　首先，設(shè)計和加工了實驗用氣動人工肌肉，搭建和完善了氣動單關(guān)節(jié)機械臂的實驗平臺。并根據(jù)相關(guān)文獻推導(dǎo)自制人工肌肉的數(shù)學(xué)模型，從而進一步推出單自由度機械臂系統(tǒng)的系統(tǒng)模型。該模型具有較強的時變特性、非線性和模型不確定性。
　　其次，對于氣動單關(guān)節(jié)機械臂系統(tǒng)存在內(nèi)部模型不確定和外部環(huán)境擾動的問題，采用自抗擾控制方法研究了該系統(tǒng)的定位控制。跟

3、蹤微分器可以平滑突變信號的過渡過程，并消除超調(diào)現(xiàn)象。擴張狀態(tài)觀測器能夠?qū)崟r地觀測系統(tǒng)內(nèi)部模型不確定和外部環(huán)境的擾動。基于總擾動估計值得到的閉環(huán)控制器可以有效補償總擾動對系統(tǒng)的影響。此外，應(yīng)用自穩(wěn)定域理論和Lyapunov定理證實了所提出擴張狀態(tài)觀測器和閉環(huán)系統(tǒng)的收斂性和穩(wěn)定性。章末的對比仿真和實驗驗證了自抗擾控制方法可以極大改善氣動單關(guān)節(jié)機械臂系統(tǒng)的定位控制效果。
　　然后，考慮到角度編碼器可以實時地采集系統(tǒng)的實際輸出信息，故不需

4、要再觀測和估計系統(tǒng)的實際輸出。因此對擴張狀態(tài)觀測器的形式重新構(gòu)造，得到降階形式的擴張狀態(tài)觀測器。這樣有效降低了實驗過程中參數(shù)調(diào)節(jié)的工作量，也解決了三階擴張狀態(tài)觀測器收斂性證明困難的問題。此外，利用總擾動估計值和系統(tǒng)誤差組合得到的非線性控制器保證了閉環(huán)系統(tǒng)的穩(wěn)定性。通過和傳統(tǒng)自抗擾方法的對比實驗研究，也驗證了改進后自抗擾控制方法的有效性和優(yōu)勢。
　　最后，根據(jù)系統(tǒng)誤差設(shè)計出切換滑模變量，并把原系統(tǒng)模型轉(zhuǎn)化為以滑模變量和其導(dǎo)數(shù)信息為狀