柔性臂末端跟蹤的滾動(dòng)窗口非因果穩(wěn)定逆控制.pdf

1、柔性機(jī)械臂具有質(zhì)量輕、節(jié)省能量、動(dòng)作響應(yīng)迅速等優(yōu)點(diǎn)，在工業(yè)領(lǐng)域及航空航天領(lǐng)域的應(yīng)用越來越廣。本文主要考慮柔性臂末端的輸出跟蹤控制問題，包括末端軌跡跟蹤和末端路徑跟蹤。當(dāng)將末端軌跡或者末端路徑作為輸出時(shí)，連桿柔性的存在導(dǎo)致了從關(guān)節(jié)力矩到末端的系統(tǒng)具有非最小相位特性，本質(zhì)上不同于關(guān)節(jié)軌跡輸出定義下系統(tǒng)的最小相位特性，從而只能使用非因果穩(wěn)定逆的控制方法。本文在此基礎(chǔ)上提出了一種基于滾動(dòng)窗口的非因果逆末端精確跟蹤算法，不同之處在于此方法只需要知

2、道下一個(gè)窗口寬度內(nèi)系統(tǒng)的期望軌跡而不再需要知道將來的全部的期望軌跡。其優(yōu)點(diǎn)是除了具有標(biāo)準(zhǔn)的非因果穩(wěn)定逆方法對非最小相位系統(tǒng)的高精度輸出跟蹤性能以外，還提高了方法的實(shí)用性和系統(tǒng)的在線跟蹤性能，使得系統(tǒng)能夠以邊規(guī)劃邊控制的方式在線精確完成對柔性臂末端的期望軌跡和路徑的跟蹤任務(wù)。
　　本文的主要工作分述如下:
　　(1)對平面雙連桿柔性機(jī)械臂的模型進(jìn)行了詳細(xì)推導(dǎo)。建模時(shí)僅考慮連桿柔性的存在，將每個(gè)連桿分開處理并視為Euler-Be

3、rnoulli梁。使用假設(shè)模態(tài)法對柔性連桿的柔性偏移進(jìn)行近似，并結(jié)合力學(xué)原理中的Lagrange能量分析法得到了平面兩自由度雙連桿柔性機(jī)械臂的一個(gè)相對精確的理論模型。這為后續(xù)的系統(tǒng)特性分析和合理的控制器設(shè)計(jì)提供了依據(jù)。
　　(2)分析了柔性機(jī)械臂控制系統(tǒng)中四種常見的控制任務(wù)，及對應(yīng)于具體控制任務(wù)的常用的控制方法，完成了對柔性機(jī)械臂系統(tǒng)定義了不同輸出后的系統(tǒng)特性分析。首先得到了柔性臂系統(tǒng)是仿射非線性系統(tǒng)的結(jié)論，并在此基礎(chǔ)上，比較了三

4、種不同的輸出定義下，即關(guān)節(jié)軌跡輸出、末端軌跡輸出和末端路徑輸出定義下的系統(tǒng)逆求取方法的不同及系統(tǒng)的相對階、零動(dòng)態(tài)與非最小相位特性、外動(dòng)態(tài)與內(nèi)動(dòng)態(tài)等特性。并對末端路徑跟蹤這一控制任務(wù)進(jìn)行了獨(dú)立的闡述。這些特性分析為控制算法的選擇及控制器的設(shè)計(jì)提供了理論依據(jù)。
　　(3)針對柔性機(jī)械臂末端的跟蹤問題，本文首先對得到的柔性臂模型進(jìn)行線性化處理，然后介紹了將滾動(dòng)窗口的非因果逆精確跟蹤算法應(yīng)用到柔性臂末端跟蹤控制的具體過程，并對該算法的收斂