多剛體系統(tǒng)擴(kuò)展層級(jí)建模與約束跟隨控制方法研究.pdf

1、伺服約束控制是指通過給系統(tǒng)提供一定約束力，使系統(tǒng)主動(dòng)滿足約束條件的一種控制方法，是近年來(lái)多剛體系統(tǒng)控制領(lǐng)域的前沿課題之一。伺服約束方法不同于傳統(tǒng)約束問題借助系統(tǒng)結(jié)構(gòu)或外部環(huán)境來(lái)實(shí)現(xiàn)約束的方式，采用伺服控制來(lái)改變系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)狀態(tài)并使之滿足既定約束條件，將約束實(shí)現(xiàn)從結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)問題轉(zhuǎn)換為控制問題——即約束跟隨控制。目前，對(duì)多剛體系統(tǒng)約束跟隨控制方法的研究還存在一些難點(diǎn)，主要包括：復(fù)雜多剛體系統(tǒng)的建模問題、模型不確定性的描述方法、帶有非線性和不確定性

2、系統(tǒng)的控制問題等。因此，本文探索了能夠獲取解析模型和提高建模效率的新方法，引入更實(shí)際和準(zhǔn)確的不確定性描述方法，研究了在約束跟隨控制中通用的非線性魯棒控制方法及其優(yōu)化，論文完成的主要工作如下：
　　(1)利用Udwadia-Kalaba理論，對(duì)多剛體系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)建模方法進(jìn)行了研究，提出了擴(kuò)展的層級(jí)建模方法，解決了質(zhì)量矩陣奇異時(shí)多剛體系統(tǒng)模型無(wú)解的問題，以及外力模型與約束力模型耦合時(shí)的解耦問題，建立的多剛體系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)解析模型更適用于約束

3、跟隨控制；借助Udwadia-Kalaba理論，論證了Rosenberg非理想約束嵌入法的有效性，為擴(kuò)展層級(jí)建模過程中采用嵌入法對(duì)非完整約束進(jìn)行簡(jiǎn)化提供了理論依據(jù)。
　　(2)基于自然約束條件的約束力模型，提出了一種多剛體系統(tǒng)的約束跟隨控制方法，實(shí)現(xiàn)對(duì)目標(biāo)約束的跟隨控制；針對(duì)理想和非理想目標(biāo)約束條件，設(shè)計(jì)了兩種自適應(yīng)魯棒控制器，保證了系統(tǒng)在不確定因素影響下的跟隨性能，即系統(tǒng)跟隨誤差有界；將非理想約束力模型作為控制器算法的一部分，對(duì)

4、系統(tǒng)的摩擦阻力進(jìn)行補(bǔ)償控制；無(wú)需不確定因素的準(zhǔn)確上界信息，僅需其取位范圍有界，利用自適應(yīng)參數(shù)對(duì)邊界信息進(jìn)行在線估計(jì)，并根據(jù)估計(jì)的邊界值設(shè)計(jì)魯棒控制器增益；設(shè)計(jì)了帶有泄漏項(xiàng)和死區(qū)的控制算法，能夠減小控制系統(tǒng)成本、提高運(yùn)行速度。
　　(3)從約束跟隨角度，對(duì)多剛體系統(tǒng)軌跡跟蹤控制進(jìn)行了詮釋，將軌跡跟蹤誤差為零視為系統(tǒng)約束，提出了一種新的軌跡跟隨控制方法；利用目標(biāo)軌跡構(gòu)造約束條件，通過對(duì)約束條件的跟隨來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)目標(biāo)軌跡的跟蹤；與傳統(tǒng)軌跡跟

5、蹤控制方法相比，該方法無(wú)需對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行線性化處理，控制器設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單，計(jì)算量小，適合在線控制。
　　(4)用模糊集合理論描述了多剛體系統(tǒng)不確定性，提出多剛體系統(tǒng)的約束跟隨控制及其優(yōu)化設(shè)計(jì)方法；設(shè)計(jì)了一個(gè)約束跟隨控制器，令系統(tǒng)在模型和約束均存在不確定性時(shí)仍具有有界性；與過去基于IF-THEN規(guī)則的模糊控制方法不同，該方法無(wú)需對(duì)系統(tǒng)模型進(jìn)行局部線性化，可以令控制系統(tǒng)得到精確定義的性能指標(biāo)；基于系統(tǒng)不確定性的模糊信息，建立了一個(gè)新的系統(tǒng)二次性

6、能指標(biāo)，綜合考慮了系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)性能、瞬態(tài)性能和控制成本；提出了針對(duì)該二次性能指標(biāo)的優(yōu)化設(shè)計(jì)目標(biāo)，證明了該優(yōu)化目標(biāo)函數(shù)全局解存在且唯一，給出了系統(tǒng)最優(yōu)性能指標(biāo)和最優(yōu)解的解析表達(dá)式。
　　(5)以挖掘機(jī)器人為研究對(duì)象，首次將本文提出的擴(kuò)展層級(jí)建模與約束跟隨控制方法應(yīng)用于挖掘機(jī)器人在挖掘過程中的軌跡跟蹤控制；采用本文提出的擴(kuò)展層級(jí)建模方法建立了挖掘機(jī)器人的動(dòng)力學(xué)解析模型，得到了挖掘工作阻力的解耦模型；以所建立的挖掘機(jī)器人系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)解析模型