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《西南石油大学》 2016年
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变论域自适应模糊控制在机械手轨迹跟踪中的应用研究

杨丽  
【摘要】:随着科学技术的发展,机械手系统已发展成为工业控制领域中不可或缺的设备装置,并逐渐向其它领域渗透。机械手系统的核心是控制系统,作为机械手两大运动控制问题之一的机械手轨迹跟踪控制也成为当今的研究热点。机械手轨迹跟踪控制的主要目的是通过系统控制器给机械手关节施加控制力矩,使得机械手在运动过程中的关节角位移、角速度等状态变量跟踪给定的期望轨迹,最终实现机械手末端平稳地完成规定的作业流程。随着生活水平的提高,人们对机械手轨迹跟踪的精度也提出更高要求,不仅是能够实现点对点的跟踪、一般直线跟踪和曲线跟踪,而是能够实现对任意指定路径高精度的跟踪。然而机械手系统本身是一个高度非线性、强耦合的多输入多输出复杂系统,这些都使得机械手系统精确的数学模型难以得到,加之负载变化、随机扰动等外界因素和模型自身不确定性因素的影响,这些都大大增加了机械手轨迹跟踪控制问题的难度。因此本文就机械手的轨迹跟踪控制问题展开研究,充分利用传统模糊控制方法设计简单且不依赖被控对象精确数学模型等的优点,并弥补其控制精度低的不足,引入变论域的思想,提出了一种机械手轨迹跟踪的高精度变论域自适应模糊控制方法,主要研究要点如下:本文首先搭建了基于拉格朗日方程的机械手动力学模型,并分析了其模型特点,为后续控制器的设计做准备。其次针对机械手的轨迹跟踪问题,在MATLAB中设计了机械手的常规模糊控制器,并在SIMULINK中通过多组仿真实验验证了该模糊控制器的良好鲁棒性和不依赖对象精确数学模型的优点,但均存在控制精度较低的问题。针对此问题,于是接下来引入变论域的思想,设计了论域伸缩因子,通过编写S函数,实现了对机械手轨迹跟踪的变论域自适应模糊控制器的设计,并且仿真验证了该变论域自适应模糊控制器的有效性。最后通过一系列系统的仿真比较实验,充分显示了该变论域自适应模糊控制器与常规模糊控制器相比具有十足的优越性,且可与传统模糊自适应控制效果相媲美,甚至更好;是一种设计简单,调节参数少,稳定性好的高精度自适应模糊控制器,非常适合用在目前对精度要求较高的机械手轨迹跟踪控制当中。
【关键词】:机械手轨迹跟踪 常规模糊控制 变论域自适应模糊控制 高精度
【学位授予单位】:西南石油大学
【学位级别】:硕士
【学位授予年份】:2016
【分类号】:TP241
【目录】:
  • 摘要3-4
  • Abstract4-8
  • 第1章 绪论8-15
  • 1.1 研究背景和意义8-10
  • 1.2 国内外研究现状10-13
  • 1.2.1 机械手的国内外发展现状10-11
  • 1.2.2 机械手的轨迹跟踪控制方法研究现状11-13
  • 1.3 本文主要工作和结构安排13-15
  • 1.3.1 主要工作13-14
  • 1.3.2 结构安排14-15
  • 第2章 机械手的动力学分析与建模15-21
  • 2.1 拉格朗日方程15-16
  • 2.2 基于拉格朗日方程的机械手动力学建模16-19
  • 2.3 机械手动力学模型的特点19-20
  • 2.4 本章小结20-21
  • 第3章 机械手的模糊控制系统设计与仿真21-40
  • 3.1 模糊控制的理论基础21-29
  • 3.1.1 模糊集合21-24
  • 3.1.2 模糊控制器24-29
  • 3.2 机械手模糊控制系统的设计29-33
  • 3.2.1 机械手轨迹跟踪的模糊控制方案29-30
  • 3.2.2 模糊控制器设计30-33
  • 3.3 仿真实验33-39
  • 3.4 本章小结39-40
  • 第4章 机械手的变论域自适应模糊控制系统设计与仿真40-55
  • 4.1 变论域自适应模糊控制的理论基础40-42
  • 4.1.1 模糊控制器的插值机理40
  • 4.1.2 双输入单输出分片插值函数40-41
  • 4.1.3 控制规则的单调性与控制函数的单调性41-42
  • 4.2 变论域自适应模糊控制器的基本原理42-44
  • 4.2.1 变论域自适应模糊控制算法的基本结构42-43
  • 4.2.2 变论域伸缩因子简介43-44
  • 4.3 机械手的变论域自适应模糊控制系统设计44-48
  • 4.3.1 机械手轨迹跟踪的变论域自适应模糊控制方案44-45
  • 4.3.2 论域伸缩因子的选择45-48
  • 4.4 仿真实验48-54
  • 4.5 本章小结54-55
  • 第5章 变论域自适应模糊控制的性能分析与比较55-69
  • 5.1 控制规则的简化处理55-56
  • 5.2 变论域自适应模糊控制与常规模糊控制的比较实验56-64
  • 5.3 变论域自适应模糊控制与其它控制方法的比较实验64-66
  • 5.4 变论域自适应模糊控制与常规模糊控制的结合66-68
  • 5.5 本章小结68-69
  • 第6章 总结与展望69-72
  • 6.1 总结69-70
  • 6.2 展望70-72
  • 致谢72-73
  • 参考文献73-77
  • 附录77-84
  • 攻读硕士学位期间发表的学术论文及科研情况84

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