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基于无源性理论和自抗扰的机械臂柔性关节伺服控制

袁宏哲  
【摘要】:空间机械臂在太空中要完成许多复杂的任务,而且真空、失重、温差大的恶劣运行环境也为空间机械臂带来了很强的外扰,因此为空间机械臂设计精度高、抗扰能力强的位置控制策略是很有意义的。关节作为空间机械臂的核心组件,对空间机械臂的平稳运行起着至关重要的作用。关节的柔性、驱动电机的输出平稳性均影响空间机械臂的控制精度,因此本文考虑以上因素,对柔性关节机械臂系统的高精度位置控制开展研究。首先采用了基于端口受控哈密顿理论的互联和阻尼分配的无源性控制方法研究了永磁同步电机的速度控制问题。研究表明,相比于传统的矢量控制,无源性控制方法具有更出色的动态性能,并对负载转矩的变化有一定的鲁棒性,但该方法同时存在动态响应速度不能随设计要求任意调节的缺陷。为增强永磁同步电机的动态响应、鲁棒性和抗扰能力,将线性自抗扰控制和互联和阻尼分配的无源性控制相结合,为永磁同步电机设计了双闭环位置反馈控制系统。仿真结果表明,通过合理配置注入阻尼和控制器带宽参数,电机位置控制系统的调节时间可按照设计要求任意调节,具有很好的控制性能与抗扰能力。其次,研究了柔性关节机械臂的位置控制。以单连杆柔性关节机械臂为研究对象,在建立动力学模型的基础上,采用线性自抗扰控制方法设计了双闭环位置反馈控制系统。其中外环为关节的位置控制,采用线性自抗扰控制;内环为电机的位置控制,采用线性自抗扰控制和互联和阻尼分配的无源性控制。仿真表明,通过配置内外环线性自抗扰控制的控制器带宽参数,机械臂具有较高的轨迹跟踪精度与鲁棒性。最后,为提高柔性关节机械臂的位置控制系统在低带宽增益下的控制性能,将分数阶PD控制与线性自抗扰控制相结合,为柔性关节机械臂设计了基于分数阶自抗扰控制的位置控制系统。仿真结果表明,相比基于线性自抗扰控制的位置控制,分数阶自抗扰控制位置控制系统具有更快的响应速度与更高的控制精度,且在低带宽增益下也具有很好的控制性能与鲁棒性。


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