機(jī)械臂建模與控制

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1、精品文檔 一、柔性機(jī)械臂協(xié)調(diào)操作柔性負(fù)載 1. 建模方法 1） 假設(shè)模態(tài)法 假設(shè)模態(tài)法是利用有限個已知模態(tài)函數(shù)來確定系數(shù)的運(yùn)動規(guī)律。連續(xù)系統(tǒng)的解可寫作 全部模態(tài)函數(shù)的線性組合，若取前 n 個有限項(xiàng)作為近似解，則有 n y( x, t ) i x qi t i 1 其中 qi t , i 1,2, L , n 為廣義坐標(biāo)， i x ,i 1,2, L n 應(yīng)該為系統(tǒng)的實(shí)際模態(tài)函數(shù)， 但計(jì)算時常近似地代以假設(shè)模態(tài)， 也就是滿足部分或者全部邊界條件， 但不一定滿足動力學(xué)方程的試函數(shù)族。 采用以廣義坐標(biāo)表

2、示的功和能來描述系統(tǒng)的動態(tài)性能， 所有不做功的力和約束力在這種 方法中均不出現(xiàn)， 因此最后得到的方程是封閉形式的表達(dá)式， 提供了關(guān)節(jié)力矩和關(guān)節(jié)運(yùn)動之 間的明顯解析關(guān)系。 同時， 柔性機(jī)械臂由于連桿柔性會在工作過程中產(chǎn)生扭曲變形、 軸向變 形、和剪切變形， 但考慮到機(jī)器人連桿的長度總比其截面線徑大的多， 運(yùn)行過程中所產(chǎn)生的 軸向變形和剪切變形相對于扭曲變形而言非常小。 因而在系統(tǒng)的動力學(xué)建模過程中通常可以 忽略軸向變形和剪切變形的影響，將每個柔性連桿簡化為 Euler 一 Bemuolii 梁來處理。此 時，在拉格朗日方程的基礎(chǔ)上， 采用假設(shè)模態(tài)法來描述彈性

3、連桿的變形， 該方法具有計(jì)算量 相對少，方法簡單， 具有系統(tǒng)性和效率高的特點(diǎn)。 即將彈性連桿的高階模態(tài)忽略不計(jì)， 可以得到離散化的維數(shù)較低的動力學(xué)方程，進(jìn)而有利于系統(tǒng)的動力學(xué)分析和控制器設(shè)計(jì)。 2） 有限元法 有限元法是一種以計(jì)算機(jī)輔助分析為手段的， 全新的結(jié)構(gòu)分析方法。 在利用有限元法進(jìn) 行建模的過程中，柔性物體被離散化為若干個彈性體單元，而這些彈性體單元在邊界點(diǎn) ( 結(jié) 點(diǎn) ) 處相互連接，從而組成整個柔性物體，各個彈性體單元的分布質(zhì)量可以按照一定的格式 集中到各自的結(jié)點(diǎn)上。 對于每一個彈性體單元， 其在物體坐標(biāo)系內(nèi)的撓度和轉(zhuǎn)角， 可以用結(jié)

4、 點(diǎn)位移的插值函數(shù)來表示， 而插值函數(shù)實(shí)質(zhì)上就是一種假定振型， 這樣， 整個柔性物體的振 動狀態(tài)就可以用這些節(jié)點(diǎn)位移來表示， 這里的節(jié)點(diǎn)位移并不是對整個結(jié)構(gòu)或某個子結(jié)構(gòu)所取的假定振型，而是具備簡單物理意義的參數(shù)。 利用有限元法進(jìn)行數(shù)學(xué)建模， 所得到的數(shù)學(xué)模型的廣義坐標(biāo)不但維數(shù)有限， 而且物理意 義明確， 這就使得獲取某些參數(shù)不必經(jīng)過復(fù)雜的數(shù)值運(yùn)算而可以直接通過測量得到。 從彈性 體單元的選擇到整個柔性物體運(yùn)動方程的建立都有統(tǒng)一的方法， 這就使得有限元法的相關(guān)數(shù) 值運(yùn)算可以利用計(jì)算機(jī)來完成。 利用有限元法建立起來的柔性物體模型設(shè)計(jì)控制器時， 不必 考慮很多近似

5、因素，可以更加準(zhǔn)確的設(shè)計(jì)控制器。 3） 分布參數(shù)法 柔性機(jī)械臂分布參數(shù)模型的建立，主要利用哈密頓原理，由此得到的是一組復(fù)雜的高 度非線性的常微分－偏微分耦合方程組， 而考慮到在小的撓曲變形的假設(shè)下， 可以得到一個 相對簡單的分布參數(shù)模型。 哈密頓原理是柔性臂系統(tǒng)分布參數(shù)模型動力學(xué)建模的理論基礎(chǔ)，由哈密頓原理建模的 步驟大致是： 建立系統(tǒng)的動能、 勢能和虛功表達(dá)式； 對系統(tǒng)的變分積分方程進(jìn)行必要的推導(dǎo)和整理。 該方法以能量方式建模， 可以避免方程中出現(xiàn)內(nèi)力項(xiàng)， 適用于比較簡單的柔性體動力學(xué)方程。 而對于復(fù)雜的結(jié)構(gòu)， 函數(shù)的變分運(yùn)算將變得非常繁瑣。 但是變分原理

6、又有其特點(diǎn)， 由于它是將系統(tǒng)真實(shí)運(yùn)動應(yīng)滿足的條件表示為某個函數(shù)或泛函的極值條件， 并利用此條件確 。 1歡迎下載 精品文檔 定系統(tǒng)的運(yùn)動。 因此這種方法可結(jié)合控制系統(tǒng)的優(yōu)化進(jìn)行綜合分析， 便于動力學(xué)分析向控制 模型的轉(zhuǎn)化。 2. 控制方法 1）奇異攝動法 奇異攝動方法的思想是首先忽略快變量以降低系統(tǒng)階數(shù)， 然后通過引入邊界層校正來提 高近似程度。 這兩個降階的系統(tǒng)就可以用來近似原系統(tǒng)的動力學(xué)行為， 這實(shí)際上相當(dāng)于在兩 個時間尺度范圍內(nèi)分別獨(dú)立完成設(shè)計(jì)任務(wù)。 對動態(tài)系統(tǒng)來說， 這種分解實(shí)際上就是一種時標(biāo)

7、 的分解。 利用奇異攝動方法，柔性機(jī)械臂的動力學(xué)模型被分解為兩個子系統(tǒng)，慢變子系統(tǒng)表征 大范圍運(yùn)動的剛性系統(tǒng)， 快變子系統(tǒng)則表征彈性連桿的小幅振動， 從而實(shí)現(xiàn)了柔性臂協(xié)調(diào)運(yùn) 動系統(tǒng)中的快、慢變量的解禍，以便于簡化控制器設(shè)計(jì)。 2）自適應(yīng)控制 自適應(yīng)控制能通過測取過程狀態(tài)的連續(xù)信息， 自動調(diào)節(jié)控制器參數(shù)以適應(yīng)環(huán)境條件或過程參數(shù)的變化，使系統(tǒng)獲得較強(qiáng)的魯棒性，維持控制系統(tǒng)所要求的性能準(zhǔn)則。 3. 振動抑制 i. 被動控制 被動控制是一種沒有外部能源的振動控制方法。 被動控制的主要措施有： 吸振，通過在 主系統(tǒng)上加子系統(tǒng)來實(shí)現(xiàn)能量的重新分配；

8、 隔振，它通過采用附加的隔振器將振源與需隔振 的系統(tǒng)分開減少系統(tǒng)的振動； 阻振，增加需減振的系統(tǒng)的阻尼來消耗能量從而達(dá)到減振的目 的。被動控制所采取的方法主要有設(shè)置隔振器，減振器， 采用大阻尼復(fù)合材料等。 在機(jī)械臂 系統(tǒng)的振動控制中， 由于高速， 高精度， 大范圍的運(yùn)動所產(chǎn)生的振動強(qiáng)度大，被動式的控制 方法不足以克服這種強(qiáng)烈的振動， 而且由于被動控制方法缺乏控制上的靈活性， 對突發(fā)性的 環(huán)境變化的應(yīng)變能力較差。 此外，由于有很多不確知因素的影響， 使得有時候被動控制根本 起不到抑制振動的效果， 有時甚至?xí)a(chǎn)生相反的效果， 并且被動控制的適應(yīng)性差， 對低頻

9、振 動尤其是超低頻振動的抑制效果很差， 而在現(xiàn)實(shí)中低頻運(yùn)動是一定要抑制的。 因此，當(dāng)前對 柔性物體的振動抑制的研究主要集中在主動控制中。 ii. 主動控制 振動主動控制是主動控制技術(shù)在振動領(lǐng)域的一項(xiàng)重要應(yīng)用。 包括開環(huán)和閉環(huán)兩類。 開環(huán)控制中，其控制器中的控制律是預(yù)先按規(guī)定的要求設(shè)計(jì)好的，與受控對象的振動狀態(tài)無關(guān)， 而閉環(huán)控制中的控制器是以受控對象振動狀態(tài)為反饋控制信息而進(jìn)行設(shè)計(jì)的。 振動的閉環(huán)控 制根據(jù)受控對象的振動狀態(tài)進(jìn)行實(shí)時的外加控制， 使其振動滿足人們的預(yù)期要求。 具體的說， 就是裝在受控對象的傳感器感受其振動， 傳感器輸出信號傳送至控

10、制器， 控制器實(shí)現(xiàn)所需要的控制律，用其輸出來控制受控對象。這樣就構(gòu)成了一個閉環(huán)控制系統(tǒng)。 (1) 特征結(jié)構(gòu)配置法 特征結(jié)構(gòu)配置法根據(jù)系統(tǒng)的動態(tài)響應(yīng)和由其閉環(huán)特征解決定的性質(zhì)， 使相應(yīng)的控制律的 設(shè)計(jì)直接滿足閉環(huán)特征值和特征向量的預(yù)定要求， 進(jìn)而改善系統(tǒng)的動態(tài)特性。 特征結(jié)構(gòu)配置 包括特征值配置和特征向量配置兩部分， 系統(tǒng)的特征值決定著系統(tǒng)的動態(tài)特性， 特征向量影 響系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)特性。 (2) 最優(yōu)控制法 最優(yōu)控制是滿足一定條件的反饋控制， 其兼顧響應(yīng)與控制兩方面的要求使性能指標(biāo)達(dá)到 最優(yōu)。因?yàn)榭刂破鞯脑O(shè)計(jì)一般建立在降階模型的基礎(chǔ)上， 所以應(yīng)用最優(yōu)控

11、制理論設(shè)計(jì)的控制器作用于實(shí)際結(jié)構(gòu)時，系統(tǒng)性能都是次優(yōu)的。最優(yōu)控制法可表述為帶約束條件的優(yōu)化問題， 通常采用受控結(jié)構(gòu)狀態(tài)和控制信號的二次型形式作為性能指標(biāo)。 如果采用狀態(tài)反饋， 一般需要進(jìn)行狀態(tài)重構(gòu)。 。 2歡迎下載 精品文檔 (3) 自適應(yīng)控制法 振動的自適應(yīng)控制的研究起始于上世紀(jì)八十年代初， 它主要用來解決受控結(jié)構(gòu)及其參數(shù) 存在較嚴(yán)重不確定性情況下的振動控制問題。 這些不確定性包括： 受控結(jié)構(gòu)的模型誤差， 包括兩部分 : 由于建模方法、手段的限制，受控對象與數(shù)學(xué)模型之間的誤差以及對數(shù)學(xué)模型進(jìn) 行線性化處理和降階所帶來的誤

12、差； 受控結(jié)構(gòu)本身發(fā)生變化， 受控結(jié)構(gòu)所處工作環(huán)境的變化；控制器計(jì)過程中的工程近似； 計(jì)算機(jī)字長影響等。 結(jié)構(gòu)振動自適應(yīng)控制設(shè)計(jì)所采用的方法主要有 : 自校正控制、簡化自適應(yīng)控制、基于超穩(wěn)定性的自適應(yīng)控制以及基于自適應(yīng)濾波的振 動控制等。 (4) 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò) 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)有三種比較普遍的控制結(jié)構(gòu)， 常用于預(yù)測和控制， 分別是模型預(yù)測控制、 反饋 線性化、模型參考控制。 使用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行控制時候，通常有兩個步驟：系統(tǒng)辨識和控制設(shè) 計(jì)。在系統(tǒng)辨識階段主要目的是對需要控制的對象建立神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型。 在控制設(shè)計(jì)階段主要 任務(wù)是基于所建立的模型設(shè)計(jì)控制器。 基于奇異攝動的方法

13、把系統(tǒng)分解成慢變和快變兩個子 系統(tǒng)。 對于慢變子系統(tǒng)， 基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的方法設(shè)計(jì)一個自適應(yīng)控制器對它進(jìn)行角度控制。 對 于快變子系統(tǒng)，設(shè)計(jì)一個模糊 PD控制器來抑制頂端振動，并且取得了很好的效果。 (5)PID 控制 PID 控制具有以下幾個優(yōu)點(diǎn)： 1、原理簡單，使用方便； 2、適應(yīng)性強(qiáng)， 3、魯棒性強(qiáng)。 在柔性臂控制中， 一般是通過調(diào)整控制器的控制增益構(gòu)成自校正 PID 控制器， 或者與其他方 法結(jié)合構(gòu)成復(fù)合控制系統(tǒng)以改善 PID 控制器的性能以及機(jī)械臂振動的控制效果。 (7) 分力合成 該方法在本質(zhì)上與輸入成形方法是相同的，只是考慮問題的角度

14、不同。 其實(shí)質(zhì)是利用幾 個相同或者相似的隨時間變化的力作為分力， 它們按一定的規(guī)律按時間軸排列合成為柔性系統(tǒng)的輸入，它可以在實(shí)現(xiàn)指定剛性運(yùn)動的同時有效抑制掉對系統(tǒng)影響較大的任意多階振動分 量 ( 柔性系統(tǒng)的剛性運(yùn)動要求由分力的時變規(guī)律來保證，各個分力在時間軸上的排列規(guī)則用以實(shí)現(xiàn)振動的抑制 ) 。在實(shí)際應(yīng)用中，只需要知道要抑制的各階振動的阻尼和頻率即可，無需大量復(fù)雜的計(jì)算，非常簡單適用。 二、受時變約束機(jī)械臂控制 1、建模 1）拉格朗日方程 2）基于哈密頓原理的分布參數(shù)模型 2、控制方法 1）、力 / 位置混合控制 力 / 位置混合控制方

15、法是基于將末端執(zhí)行器的坐標(biāo)空間按其是否被環(huán)境約束而分為位置子空間和力子空間，力 / 位置控制方法通過控制末端執(zhí)行器在位置子空間的位置和在力子空間的力來實(shí)現(xiàn)順應(yīng)控制，這種方法的優(yōu)點(diǎn)是可以直接控制末端執(zhí)行器和環(huán)境間的相互作用 力，這在有些場合是很重要的。 其缺點(diǎn)是需要很多任務(wù)規(guī)劃以及需要在力控和位置控制之間切換。 2）、阻抗控制 阻抗控制是將力信號轉(zhuǎn)變?yōu)槲恢没蛩俣日{(diào)整量的控制方案。 阻抗控制方法的特點(diǎn)是不直 接控制機(jī)械臂和環(huán)境的作用力， 而是根據(jù)執(zhí)行器末端的位置 （或速度） 和端部作用力之間的 關(guān)系，通過調(diào)整反饋位置誤差、速度誤差或剛度來達(dá)到控制的目的。與力 / 位置混合控制相 比，阻抗控制任務(wù)規(guī)劃量和實(shí)時計(jì)算量較少， 并且不需要控制模式的切換， 因而在機(jī)器人柔 順控制中占據(jù)著主導(dǎo)地位。 。 3歡迎下載