基于奇异摄动的车载液压柔性机械臂系统控制方法研究

【摘要】机械臂在现代各个领域中正在发挥着日益重要的作用，不但提高了工业产品的质量和生产效率、促进了工业自动化的进程，还在高危环境作业和家庭服务、建筑工程、交通运输和医疗卫生等方面造福人类。随着机械臂产品的操作性与移动性得到不断丰富与完善，具有网络化和智能化的机械臂也会越来越普及。当机械臂需要在较大的工作空间执行操作时，固定安装的方式将会面临很大困难，为了拓展机器人的工作空间、提高其灵巧性，迫切需要可移动的机械臂。对于作业任务确定且有较高装配精度要求的大载荷作业，大多数采用人工操作车载液压柔性机械臂的方法进行作业，由于操作者的技术水平不同，往往达不到作业任务要求，有时还会发生安全事故，于是人们希望车载液压柔性机械臂能完成对负载的精确自动装配或转载。由于车载液压柔性机械臂是一个高耦合的非线性系统，在操作负载时外界干扰及系统未建模动态等不确定性给轨迹精确跟踪带来较大困难，并且作业时不可避免地产生弹性振动，在运动结束时也会产生残余振动，这些对车载液压柔性机械臂的装配精度及机械结构产生不利的影响，往往会带来经济损失，甚至造成难以想象的后果。如果直接应用一般的非线性反馈控制方法对车载液压柔性机械臂系统进行控制，不仅控制器结构复杂、计算量巨大、实时性较差，控制效果往往还很难达到要求。于是设计合适的控制器，对车载液压柔性机械臂操作大载荷过程中进行轨迹精确跟踪，同时对柔性臂产生的弹性振动进行有效抑制，已经成为一件极为重要的事情，不仅具有重要的理论意义，还有着广阔的工程应用前景。本文针对车载液压柔性机械臂系统，提出了一种基于反演的滑模控制方法和一种基于奇异摄动的二阶滑模控制方法。本文的主要研究内容与工作如下：首先，针对柔性机械臂系统采用假设模态法和Lagrange原理进行动力学建模，再通过驱动Jacobian矩阵建立起柔性机械臂系统和液压伺服驱动系统之间的耦合关系，从而获得整个车载液压柔性机械臂系统的动力学模型。其次，在车载液压柔性机械臂系统的动力学模型基础上，根据多重时间尺度理论，采用先忽略系统中的快变量以降低系统阶数，然后再通过边界层校正项的引入来提高近似程度的方法，对车载液压柔性机械臂系统进行两次奇异摄动分解，将车载液压柔性机械臂系统分解为描述大范围刚性运动的慢变子系统、表征弹性振动的次快变子系统和表征液压伺服驱动的快变子系统，即在三重时间尺度上对整个车载液压柔性机械臂系统进行分解降阶，简化了控制结构并且便于控制器设计。再次，针对车载液压柔性机械臂的完备动力学模型，提出了一种基于反演的滑模控制器，以实现车载液压柔性机械臂的轨迹精确跟踪及柔性振动抑制。为了克服传统滑模控制由于控制电流不连续（在不同的控制逻辑间来回切换）引起的对系统不利的抖振，基于车载液压柔性机械臂双参数奇异摄动分解模型，针对慢变子系统和次快变子系统分别设计二阶滑模控制器和最优控制器，以实现轨迹精确跟踪和弹性振动有效抑制，在考虑参数扰动和外界干扰情况下，针对快变子系统，设计自适应滑模控制器，以保证液压伺服驱动系统的输出力矩满足柔性机械臂系统的需要。最后，对车载液压柔性机械臂系统进行数值仿真研究，仿真结果表明本文所提出的控制方法是有效的，并对全文的工作进行了总结，结合本人在车载液压柔性机械臂系统建模、奇异摄动分解降阶及动力学控制等方面的研究心得，对有待进一步研究的问题进行了展望。
【作者】王蒙；
【导师】李元春；
【作者基本信息】吉林大学，控制理论与控制工程，2014，硕士
【关键词】车载液压柔性机械臂；双参数奇异摄动；二阶滑模控制；最优控制；自适应滑模控制；

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