关键词:
非线性系统
预设有限时间
非匹配复合扰动观测器
动态状态约束
多关节机械臂
摘要:
机械臂凭借其在固定空间内灵活且精准的抓取能力,在工业制造、交通运输等众多领域备受推崇。尽管在机械结构设计、零部件加工精度以及传感器感知能力等方面均已达到较高水准,但其非线性特性、严苛的作业要求以及复杂多变的环境因素,给实际工业应用中多关节机械臂的控制带来了巨大挑战:为了满足货物装卸、工业制造流水线节拍,多关节机械臂在实现精确性要求基础上还存在快速性和时间可控等要求,已有控制方法虽然已实现了有限时间控制目标,但具体控制时间受控制器参数和机械臂初始姿态影响,因而难以满足实际应用需求;其次,由于机械臂实际作业过程中的不确定因素和电磁、气象、人员等各种干扰,导致系统模型存在未知参数信息,而现有控制方法缺少对未知信息的精确提取和利用,从而抑制了多关节机械臂控制性能的进一步提升;最后,多关节机械臂尤其是大型机械臂作业安全应置于首要位置,机械臂暂稳态性能需要被约束,而状态约束控制方案在约束机械臂行为的同时却导致其抗扰能力和鲁棒性严重退化。
为应对上述挑战,本文围绕预设有限时间控制、基于非匹配复合扰动观测器的跟踪控制和基于动态边界的状态约束跟踪控制开展了非线性系统控制方法的研究,并构建实际六自由度工业机械臂运动学、动力学模型,据此进行实际测试应用。(1)为深入了解多关节机械臂非线性系统特征,为后续设计控制算法提供实验平台以验证算法优势,基于标准D-H参数建模与牛顿-欧拉原理推导六自由度工业机械臂运动学与动力学模型。(2)为解决多关节机械臂无限时间控制方法作业效率无法匹配流水线节拍的问题,本文研究了一种切换式预设有限时间多关节机械臂控制方法。构建了基于时间约束思想的切换式预设时间时变收敛函数,在保证预设时间渐进稳定的同时,有效避免了预设时间后抗扰动能力变差,算法鲁棒性下降的问题,另外提出控制方法的收敛时间不受到初始状态和控制参数影响;(3)为解决扰动估计受到导数有界假设的局限和Nussbaum函数处理非匹配扰动无法实现渐进跟踪的问题,本文研究了一种基于非匹配复合扰动观测器的多关节机械臂自适应跟踪控制方法。引入一种融合了加性扰动、未知系数、状态耦合隐形扰动形式的复合扰动,设计了一组新型滤波器结合自适应补偿技术,减轻了扰动和不确定性的影响,保障了系统的稳定运行。(4)为解决状态约束控制导致机械臂系统抗扰动能力变差的问题,本文研究了一种基于动态边界的状态约束多关节机械臂跟踪控制方法。设计了一个新的状态约束动态边界函数和相应的动态边界滤波器,可以根据约束信号与边界之间的距离实时扩展或收敛,有效阻止了跟踪误差违背状态边界的情况发生,改善了状态约束控制器的鲁棒性。所设计的滤波器是n阶可微的,可推广至高阶系统基于Backstepping方法的控制器设计。
为了充分验证所设计方案的有效性、实用性和优越性,本文给出了严格的稳定性分析过程,并基于本文建模的六自由度机械臂系统与现有方案进行了对比试验,实际硬件测试结果表明,所设计控制方案的性能要明显优于现有方案。