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《浙江大学》 2015年
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气缸—气动肌肉并联平台位姿控制研究

左赫  
【摘要】:由于具有功率质量比大、结构简单、成本低廉、清洁无污染、易维护等优点,气动伺服并联平台在仿生及工业机器人、医疗康复机构、减震平台等领域具有广泛的应用背景。但由于气动伺服系统的刚度较低,且具有明显的非线性特性,实现对气动伺服并联平台的位姿轨迹跟踪控制仍是目前气动伺服技术研究的一个重要方向。本论文以三自由度气缸-气动肌肉并联平台为研究对象,以实现运动平台高精度位姿轨迹跟踪控制为主要目标,使用理论-仿真-实验三者相结合的研究方法,首先对该气动并联平台系统进行精确的建模分析,进而深入研究该气动伺服并联平台的位姿轨迹跟踪控制策略和多平台同步控制方法。为实现气动伺服并联平台的高精度轨迹跟踪控制,本论文首先对气动肌肉的力学特性进行了建模分析和试验研究,进而设计了动态刚度与平台位姿控制相互分离的三自由度气缸-气动肌肉并联平台,在仿真模型上进行了基于反步法的自适应鲁棒控制器设计。在此基础上,根据并联平台无运动学正解解析解的特点,首先设计了位姿解算器根据气动肌肉长度对运动平台位姿进行实时数值求解计算,进而在工作空间中设计了积分式自适应鲁棒控制器对运动平台进行轨迹跟踪控制。同时,在关节空间中将交叉耦合控制策略和自适应鲁棒控制理论相结合,设计了积分式交叉耦合自适应鲁棒控制器完成对并联平台的位姿轨迹跟踪控制。实验证明,两种控制器均有较高的位姿轨迹跟踪控制精度,同时具有在线参数辨识能力和控制鲁棒性。此外针对多个相同结构并联平台的同步控制需求,本文设计了分体式交叉耦合自适应鲁棒控制器以减小同步控制误差并增加控制器柔性。本论文分为七个章节,现将各章内容分述如下:第一章,详细阐述了课题的研究背景,指出气缸-气动肌肉的高精度位姿轨迹跟踪控制及多平台位姿同步控制具有重要的现实意义和研究价值;简要总结了气动伺服控制领域的研究现状;最后概括了本课题的研究意义、研究难点和主要研究内容。第二章,对气动肌肉的力学特性进行了分析,在力学测试实验的基础上提出了对现有力学模型的修正方式,并通过填充金属丝的方式减小气动肌肉的慢时变特性。在此基础上,本章设计了气缸-气动肌肉并联伺服平台的机械结构、气路系统和伺服控制器,完成结构上的参数匹配,并选择合适的元器件搭建了气动并联平台伺服系统实验装置。第三章,首先对气缸-气动肌肉并联平台的动力学特性与各控制阀和执行器进行建模分析,并在MATLAB/Simulink中搭建仿真模型进行仿真分析。在此基础上,本文采用气缸与气动肌肉控制相对独立的控制策略,针对气动肌肉强耦合、高度非线性的力学特性,设计了自适应鲁棒控制器对并联平台进行位姿轨迹跟踪控制。仿真结果证明该控制器能够获得高精度的平台位姿控制效果,并且具有在线参数辨识能力和控制鲁棒性。第四章,由于所控制并联平台无运动学正解解析解,首先设计了基于拟牛顿法的运动平台位姿解算器,并在仿真实验中证明其有效性。根据气动肌肉的慢时变力学特性,设计了积分式直接-间接自适应鲁棒控制器,在间接自适应观测部分使用最小二乘自适应观测器对未建模力学特性参数进行在线辨识,并对所设计控制器进行了稳定性理论证明。在实验中验证了所设计积分式自适应鲁棒控制器和自适应观测器的有效性;将其与传统自适应鲁棒控制器的控制效果相对比,得出所设计控制器具有较高控制精度的结论,并对控制器的普遍适用性和鲁棒性进行了实验验证。第五章,为避免使用会占用较多控制器计算资源的位姿解算器,在关节空间中设计了一种积分式交叉耦合直接-间接自适应鲁棒控制器,根据交叉耦合控制策略使用同步误差替代关节空间位姿误差,设计最小二乘法在线参数辨识观测器进行观测和补偿,并对所设计控制器的稳定性进行了理论证明。为验证控制器各部分有效性,设计了一系列控制器并在实验中对其轨迹跟踪控制性能加以测试。实验结果表明,所设计积分式交叉耦合自适应鲁棒控制器具有很高的控制精度与较好的鲁棒性,与其他控制器的对照实验可以证明交叉耦合控制策略及反馈积分项的有效性。第六章,为提高多平台同步位姿轨迹跟踪控制中的同步控制精度,本章首先针对具有相同结构的双并联平台设计了双平台交叉耦合自适应鲁棒控制器,证明了所设计控制器的理论稳定性,进而使用分体式设计原理设计了多平台交叉耦合自适应鲁棒控制器。在仿真实验中对所设计双平台及多平台控制器的有效性和交叉耦合控制策略的作用进行了验证。仿真结果表明,本章所设计的交叉耦合控制策略能够显著减小各平台间的同步控制误差;所设计交叉耦合自适应鲁棒控制器能够对单平台控制误差及多平台同步控制误差进行同时镇定,并且具有自适应参数辨识能力和控制鲁棒性。第七章,对本论文的主要工作内容,研究结论和创新点进行了归纳总结,并对未来的研究工作和研究方向进行了展望。
【学位授予单位】:浙江大学
【学位级别】:博士
【学位授予年份】:2015
【分类号】:TH138;TP13

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