基于自適應(yīng)動(dòng)態(tài)規(guī)劃的可重構(gòu)機(jī)械臂容錯(cuò)控制方法研究.pdf

1、隨著現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的不斷推進(jìn)，以及“十三五”國家科技創(chuàng)新規(guī)劃的部署，針對像可重構(gòu)機(jī)械臂一類具有模塊化、靈活性等特點(diǎn)，以及對外界環(huán)境與操作任務(wù)具有強(qiáng)大適應(yīng)能力的智能機(jī)械設(shè)備，將被大力發(fā)展應(yīng)用于深空探測、智能工廠以及核工業(yè)等很多應(yīng)用領(lǐng)域中。然而，當(dāng)可重構(gòu)機(jī)械臂長期工作在極端的惡劣環(huán)境下，其執(zhí)行機(jī)構(gòu)等元器件不可避免會(huì)發(fā)生故障。若不及時(shí)對其進(jìn)行處理，將會(huì)帶來重大的財(cái)產(chǎn)損失。因此，研究故障診斷與容錯(cuò)控制方法來解決此類問題以維持系統(tǒng)可靠的性能十分迫切

2、。與此同時(shí)，在提高可重構(gòu)機(jī)械臂系統(tǒng)的控制精度，簡化控制器結(jié)構(gòu)以及優(yōu)化能源代價(jià)消耗這方面的研究也十分必要，不僅將為復(fù)雜機(jī)構(gòu)的機(jī)器人以及大型工程機(jī)械的實(shí)際應(yīng)用提供有力的技術(shù)支持，同時(shí)對機(jī)械設(shè)備向著自動(dòng)化、智能化以及最優(yōu)化的方向健康發(fā)展具有切實(shí)深遠(yuǎn)的意義。
　　本文首先利用剛體的動(dòng)力學(xué)方程幾何公式，通過Newton-Euler迭代算法，建立了可重構(gòu)機(jī)械臂系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)模型，并在此基礎(chǔ)上，給出了故障系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)模型。
　　其次，針對軌跡跟

3、蹤問題，為了提高系統(tǒng)的控制精度，優(yōu)化能源消耗以及簡化控制器的結(jié)構(gòu)。結(jié)合最優(yōu)控制理論知識(shí)，設(shè)計(jì)一種基于單網(wǎng)絡(luò)評價(jià)結(jié)構(gòu)策略迭代(Critic-only Policy Iteration,CoPI)算法的可重構(gòu)機(jī)械臂最優(yōu)跟蹤控制方法。利用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建了單網(wǎng)絡(luò)評價(jià)機(jī)構(gòu)。通過CoPI算法計(jì)算得出最優(yōu)的反饋跟蹤控制律，并結(jié)合名義控制律共同構(gòu)成的全局跟蹤控制律確保了系統(tǒng)的跟蹤誤差漸近收斂至零。
　　然后，考慮到可重構(gòu)機(jī)械臂在不同的任務(wù)需求中，可

4、能存在模塊增減的情況，則分散控制思想更加適合于可重構(gòu)機(jī)械臂控制。同時(shí)為了兼?zhèn)洹白顑?yōu)化”思想，故提出一種基于觀測器評價(jià)結(jié)構(gòu)自適應(yīng)動(dòng)態(tài)規(guī)劃(Adaptive dynamic programming,ADP)算法的分散控制方法。為了解決對耦合交聯(lián)項(xiàng)處理的難點(diǎn)，本章結(jié)合替換思想與觀測器技術(shù)，采用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)對替換處理后的子系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)模型進(jìn)行辨識(shí)。利用CoPI算法設(shè)計(jì)局部反饋控制器，采用自適應(yīng)魯棒項(xiàng)來抵消系統(tǒng)的整體逼近誤差，并結(jié)合設(shè)計(jì)的局部名義控制器

5、共同保證了系統(tǒng)的軌跡跟蹤誤差漸近收斂至零。
　　最后，針對執(zhí)行器發(fā)生故障的可重構(gòu)機(jī)械臂系統(tǒng)，基于ADP理論和故障觀測器，提出一種改進(jìn)性能指標(biāo)函數(shù)ADP算法的容錯(cuò)控制策略。利用自適應(yīng)故障觀測器對執(zhí)行器故障的觀測值設(shè)計(jì)一種改進(jìn)的性能指標(biāo)函數(shù)。將容錯(cuò)控制問題轉(zhuǎn)化為最優(yōu)控制問題來處理。容錯(cuò)控制器由名義控制器與最優(yōu)反饋控制器兩部分組成，設(shè)計(jì)名義控制器是為了保證系統(tǒng)的跟蹤性能能夠穩(wěn)定到零，最優(yōu)反饋控制器是為了使跟蹤誤差以最優(yōu)的方式收斂于穩(wěn)定的