柔性機(jī)械臂二維平面內(nèi)軌跡精確跟蹤的分?jǐn)?shù)階PID型迭代學(xué)習(xí)控制策略研究.pdf

1、近年來(lái)，醫(yī)療等諸多前沿科研領(lǐng)域?qū)C(jī)械臂的性能提出越來(lái)高的要求。從技術(shù)角度講，機(jī)械臂已在實(shí)際應(yīng)用中得到較多的應(yīng)用;從理論角度講，針對(duì)不同機(jī)械臂的特點(diǎn)，高度復(fù)雜的動(dòng)力學(xué)系統(tǒng)被引入，隨著機(jī)械臂性能的不斷提高，研究輕質(zhì)、重載、高速、高精度、高適應(yīng)性和高靈活性的智能機(jī)械臂已經(jīng)成為時(shí)代的需求。柔性機(jī)械臂的引入，滿足了機(jī)械臂輕質(zhì)、低耗、高速等特點(diǎn)，在機(jī)器人領(lǐng)域中占有重要地位，尤其近年來(lái)對(duì)柔性機(jī)械臂的研究受到更加廣泛的關(guān)注。
　　本文主要以柔性機(jī)

2、械臂的建模為平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)動(dòng)力學(xué)系統(tǒng)的精確跟蹤為目標(biāo)，通過(guò)引入分?jǐn)?shù)階微積分和迭代學(xué)習(xí)控制的思想對(duì)控制器的設(shè)計(jì)進(jìn)行研究。首先，為實(shí)現(xiàn)相對(duì)精確且可被實(shí)際應(yīng)用的柔性機(jī)械臂建模，本文提出了針對(duì)剛-柔耦合的二維平面內(nèi)的柔性機(jī)械臂，將柔性管進(jìn)行基本假定，由此建立模型并對(duì)其抽象化處理，確定絕對(duì)坐標(biāo)系與相對(duì)坐標(biāo)系，隨后基于結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)的小變形假設(shè)，利用零次近似理論，形成被控對(duì)象數(shù)學(xué)模型，由此建立柔性機(jī)械臂的動(dòng)力學(xué)方程;基于Hamilton最小作用原理，并在理

3、論允許范圍內(nèi)的精度要求對(duì)建模部分近似處理，得到系統(tǒng)的一次近似柔性機(jī)械臂動(dòng)力學(xué)方程;基于二維平面平臺(tái)建模假設(shè)，對(duì)柔性機(jī)械臂的動(dòng)力學(xué)方程進(jìn)行分析，將有限元法與假設(shè)模態(tài)法進(jìn)行比較，出于計(jì)算自由度數(shù)目與主動(dòng)控制設(shè)計(jì)的考慮下，選擇假設(shè)模態(tài)法來(lái)近似得出動(dòng)力學(xué)方程解。值得一提的是，分?jǐn)?shù)階迭代學(xué)習(xí)控制方法在理論上對(duì)模型參數(shù)的精度要求不高，但通過(guò)建立一個(gè)能模仿真實(shí)系統(tǒng)行為的模型，在控制器設(shè)計(jì)方面具有非常重要的意義。
　　本文基于上述所建的柔性機(jī)械臂

4、動(dòng)力學(xué)模型，對(duì)控制器選取了兩種方法進(jìn)行設(shè)計(jì)。首先，將迭代學(xué)習(xí)控制算法和PID反饋控制方法相結(jié)合，從而建立了PID型離散系統(tǒng)迭代學(xué)習(xí)控制器，隨后，基于分?jǐn)?shù)階微積分算法建立了離散增量式分?jǐn)?shù)階PI控制器，從而在根本上實(shí)現(xiàn)了對(duì)柔性機(jī)械臂運(yùn)動(dòng)過(guò)程的優(yōu)化，最后將離散增量式分?jǐn)?shù)階PI控制器與PID型離散系統(tǒng)迭代學(xué)習(xí)控制器相結(jié)合，建立離散增量式分?jǐn)?shù)階PID型迭代學(xué)習(xí)控制器。對(duì)這一方案在第三章和第四章分別進(jìn)行了控制器設(shè)計(jì)與仿真。迭代學(xué)習(xí)法降低了系統(tǒng)對(duì)建模

5、精確度的要求，以不斷前饋的形式使控制器彌補(bǔ)了柔性機(jī)械臂的建模缺陷，PID控制得到的控制器能夠有效減小結(jié)構(gòu)和參數(shù)不確定性以及未知擾動(dòng)帶來(lái)的影響，二者的結(jié)合可減少系統(tǒng)誤差，通過(guò)基于反饋對(duì)參數(shù)的調(diào)節(jié)而提高系統(tǒng)的跟蹤軌跡精度，通過(guò)仿真結(jié)果可驗(yàn)證此方案可有效提高控制器性能?；陔x散化方法和頻率特性的離散增量式FOPI控制器設(shè)計(jì)方法，對(duì)柔性機(jī)械臂系統(tǒng)模型誤差和振蕩等系統(tǒng)不確定性因素具有較強(qiáng)魯棒性，可有效降低加速度的絕對(duì)值，從而從根本上減少系統(tǒng)的振動(dòng)

6、。
　　本文的創(chuàng)新之處如下:
　　分?jǐn)?shù)階控制器擁有更多的可調(diào)參數(shù)，理應(yīng)得到更理想的控制結(jié)果，特別的，理論與實(shí)驗(yàn)均已證明，對(duì)于分?jǐn)?shù)階系統(tǒng)而言，最優(yōu)迭代學(xué)習(xí)控制器也是分?jǐn)?shù)階的。
　　相對(duì)于整數(shù)階的控制器設(shè)計(jì)而言，分?jǐn)?shù)階迭代學(xué)習(xí)控制器的有效數(shù)字實(shí)現(xiàn)，并未增加計(jì)算量，實(shí)際上，分?jǐn)?shù)階迭代學(xué)習(xí)控制算法在實(shí)現(xiàn)時(shí)是以等價(jià)的整數(shù)階傳遞函數(shù)的形式來(lái)實(shí)現(xiàn)的。
　　由于柔性機(jī)械臂的系統(tǒng)傳遞函數(shù)推導(dǎo)困難，但分?jǐn)?shù)階控制器的設(shè)計(jì)必須依賴于系統(tǒng)