力矩受限的機(jī)器人組合非線性反饋控制.pdf

1、對于機(jī)器人軌跡跟蹤任務(wù)而言,動態(tài)性能是衡量系統(tǒng)控制性能的重要指標(biāo)。眾所周知,如果不產(chǎn)生較大超調(diào),系統(tǒng)就難以取得快速響應(yīng),通常在快速響應(yīng)和較小超調(diào)之間采取折衷方式。因此,很難使跟蹤過程既快速、光滑,又不出現(xiàn)較大超調(diào)。驅(qū)動器飽和是機(jī)器人系統(tǒng)不可避免的非線性因素,每個物理驅(qū)動器都有內(nèi)在限制,當(dāng)輸入信號超過這一限制,飽和發(fā)生,導(dǎo)致閉環(huán)系統(tǒng)性能惡化。極端情況下,甚至喪失穩(wěn)定性。另外一種弱化機(jī)器人系統(tǒng)性能的非線性因素是摩擦力,導(dǎo)致定位偏差和抖動。<

2、br>　　 本文從機(jī)器人關(guān)節(jié)空間軌跡跟蹤任務(wù)出發(fā),研究力矩受限的機(jī)器人運(yùn)動控制問題。首先,研究了高階多變量飽和線性系統(tǒng)的組合非線性反饋控制技術(shù),實現(xiàn)跟蹤時變參考輸入。而后,將其引入到機(jī)器人運(yùn)動控制,提出了基于計算力矩的組合非線性反饋控制器,在一個框架內(nèi)解決了驅(qū)動器力矩限制,補(bǔ)償摩擦影響的問題,同時使期望的跟蹤軌跡快速、光滑。接著,研究了機(jī)器人系統(tǒng)穩(wěn)定區(qū)域問題,采用優(yōu)化技術(shù)減小了吸引域估計的保守性。最后,為進(jìn)一步增強(qiáng)系統(tǒng)跟蹤高幅值參考輸

3、入的能力,提出了參數(shù)可調(diào)的機(jī)器人組合非線性反饋控制器。具體研究工作包括以下幾個方面:
　　 (1)在組合非線性反饋理論方面,現(xiàn)有設(shè)計方法都是針對設(shè)定點的跟蹤任務(wù),時變軌跡跟蹤也只涉及到SISO(Single-Input and Single-Out)飽和線性系統(tǒng),而對于高階多變量系統(tǒng)還沒有深入研究。為此,基于時變軌跡這一更具普遍意義的跟蹤任務(wù),分別從狀態(tài)反饋、全階輸出反饋和降階輸出反饋三方面將組合非線性反饋理論推廣到高階多變量飽

4、和線性系統(tǒng)。這樣,為力矩受限的機(jī)器人運(yùn)動控制研究奠定理論基礎(chǔ)。
　　 (2)對機(jī)器人關(guān)節(jié)空間的軌跡跟蹤任務(wù),存在驅(qū)動器力矩限制及摩擦影響,為此,通過內(nèi)嵌飽和函數(shù),提出了基于計算力矩的組合非線性反饋控制器?？刂破饔蓛蓚€環(huán)組成,內(nèi)環(huán)補(bǔ)償機(jī)器人非線性動力學(xué),外環(huán)由組合非線性反饋實現(xiàn)鎮(zhèn)定并強(qiáng)化控制性能。分析了閉環(huán)系統(tǒng)在吸引域內(nèi)的穩(wěn)定性,除了確保穩(wěn)定性外,控制器還能夠充分利用組合非線性反饋的變阻尼特性。這種變阻尼特性允許快速響應(yīng)且沒有超調(diào)

5、,補(bǔ)償摩擦影響。
　　 (3)研究了機(jī)器人系統(tǒng)的穩(wěn)定區(qū)域,利用Lyapunov函數(shù)構(gòu)造橢球不變集來估計吸引域。定義了兩類“最大”的橢球:包含初始狀態(tài)變化范圍最大和具有期望形狀且體積最大。將求解“最大”橢球問題描述為帶有限制的優(yōu)化問題,然后用線性矩陣不等式求解。利用優(yōu)化技術(shù),得到不太保守的橢球不變集,實現(xiàn)對吸引域估計。
　　 (4)為進(jìn)一步增強(qiáng)系統(tǒng)跟蹤高幅值參考輸入的能力,對控制器中的低增益項和高增益項引入可調(diào)參數(shù),提出了