氣動(dòng)單關(guān)節(jié)機(jī)械臂自抗擾定位及跟蹤控制研究.pdf

1、氣動(dòng)技術(shù)作為一種新興的驅(qū)動(dòng)和控制技術(shù)，在現(xiàn)代工業(yè)自動(dòng)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(dòng)機(jī)械臂系統(tǒng)作為氣動(dòng)技術(shù)、機(jī)械設(shè)計(jì)、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(jiǎn)單、安全可靠、維護(hù)方便和清潔性高等優(yōu)點(diǎn)被科研專(zhuān)家廣泛關(guān)注。然而，由于氣動(dòng)系統(tǒng)本身存在著無(wú)法克服的強(qiáng)烈非線性、不確定性和外部干擾等問(wèn)題，導(dǎo)致長(zhǎng)久以來(lái)其高精度控制一直是比較棘手的問(wèn)題。因此，本文從機(jī)械臂構(gòu)造的基本單元—單自由度機(jī)

2、械臂作為首要研究點(diǎn)，并采用自抗擾控制技術(shù)來(lái)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(jì)和加工了實(shí)驗(yàn)用氣動(dòng)人工肌肉，搭建和完善了氣動(dòng)單關(guān)節(jié)機(jī)械臂的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)。并根據(jù)相關(guān)文獻(xiàn)推導(dǎo)自制人工肌肉的數(shù)學(xué)模型，從而進(jìn)一步推出單自由度機(jī)械臂系統(tǒng)的系統(tǒng)模型。該模型具有較強(qiáng)的時(shí)變特性、非線性和模型不確定性。
　　其次，對(duì)于氣動(dòng)單關(guān)節(jié)機(jī)械臂系統(tǒng)存在內(nèi)部模型不確定和外部環(huán)境擾動(dòng)的問(wèn)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(hào)的過(guò)渡過(guò)程，并消除超調(diào)現(xiàn)象。擴(kuò)張狀態(tài)觀測(cè)器能夠?qū)崟r(shí)地觀測(cè)系統(tǒng)內(nèi)部模型不確定和外部環(huán)境的擾動(dòng)?；诳倲_動(dòng)估計(jì)值得到的閉環(huán)控制器可以有效補(bǔ)償總擾動(dòng)對(duì)系統(tǒng)的影響。此外，應(yīng)用自穩(wěn)定域理論和Lyapunov定理證實(shí)了所提出擴(kuò)張狀態(tài)觀測(cè)器和閉環(huán)系統(tǒng)的收斂性和穩(wěn)定性。章末的對(duì)比仿真和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了自抗擾控制方法可以極大改善氣動(dòng)單關(guān)節(jié)機(jī)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(shí)時(shí)地采集系統(tǒng)的實(shí)際輸出信息，故不需

4、要再觀測(cè)和估計(jì)系統(tǒng)的實(shí)際輸出。因此對(duì)擴(kuò)張狀態(tài)觀測(cè)器的形式重新構(gòu)造，得到降階形式的擴(kuò)張狀態(tài)觀測(cè)器。這樣有效降低了實(shí)驗(yàn)過(guò)程中參數(shù)調(diào)節(jié)的工作量，也解決了三階擴(kuò)張狀態(tài)觀測(cè)器收斂性證明困難的問(wèn)題。此外，利用總擾動(dòng)估計(jì)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(guò)和傳統(tǒng)自抗擾方法的對(duì)比實(shí)驗(yàn)研究，也驗(yàn)證了改進(jìn)后自抗擾控制方法的有效性和優(yōu)勢(shì)。
　　最后，根據(jù)系統(tǒng)誤差設(shè)計(jì)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