机电系统运动学和动力学约束下的轨迹规划研究
发布时间：2022-01-01 10:56
现代工业应用中,要求数控机床、机器人和电液伺服等机电系统高精度和高效率地完成运动跟踪的任务。为满足机电系统运动跟踪任务中的高效率的性能要求,机电系统需要以尽量快的运动速度完成作业任务。然而,实际机电系统执行装置受限于各种运动学和动力学约束。具体来说,运动学约束主要指执行装置的最大速度、加速度以及加加速度有限,而动力学约束则指执行装置的最大驱动力或力矩以及其相应的变化率有界。因此,提高运动速度有助于获得高效率的运动跟踪性能,但也可能会违反此类运动学和动力学约束。一旦违反此类约束,机电系统的运动跟踪控制器可能饱和,进而导致运动跟踪精度的急剧恶化,甚至整个控制系统失稳。因此,同时取得高精度和高效率的性能成为机电系统运动跟踪中的一个难题。为获得机电系统运动跟踪高精度和高效率的性能,本论文深入地研究了机电系统运动学和动力学约束下的时间最优轨迹规划问题。根据机电系统不同的运动跟踪应用场景,归纳出三大类型的时间最优轨迹规划问题:（1）运动学约束下沿着给定几何路径的最小时间离线轨迹规划;（2）运动学约束下对期望命令轨迹的时间最优在线规划;（3）运动学和动力学约束以及系统动力学模型中参数不确定性和不确定...
【文章来源】：浙江大学浙江省 211工程院校 985工程院校 教育部直属院校
【文章页数】：129 页
【学位级别】：博士
【部分图文】：
图１．３?Ｓｈｉｎ和ＭｃＫａｙ寻找切换点原理图??速度临界曲线检查ＪＣ（ｊｃ），切换点ｄ是？Ｃ（ｘ）符号改变的点
在临界点处，速度临界曲线的斜率不连续［５４】，如图１．５中的ａ点和ｃ点界点处，参数加速度ｉ和参数速度ｉ的约束方程中，参数加速度的系数此临界点也被称为零惯量点（Ｚｅｒｏ?Ｉｎｅｒｔｉａ?Ｐｏｉｎｔｓ）。Ｓｈｉｌｌｅｒ和Ｌｕ【４２，５４１进一步界曲线上奇异点（ＳｉｎｇｕｌａｒＰｏｉｎｔｓ）和奇异弧（ＳｉｎｇｕｌａｒＡｒｃ）的存在性。本一类特殊的临界点，而奇异弧由一系列的奇异点组成。文献［｜，２６．５２］指出，为轨迹，参数加速度；ｔ在所有时刻均取最大参数加速度或最小参数加速度。Ｌｕ［４２’５４］证明，在奇异点和奇异弧处，参数加速度±？取最大参数加速度或最可能使得优化轨迹越过速度临界曲线，从而违反相应的约束条件。针对这ｌｅｒ？和Ｌｕ给出了奇异点和奇异弧处的参数加速度的可行解范围，从而完善了析的时间最优轨迹规划算法。??控加工的应用中，部分学者也开展了基于相平面分析的时间最优轨迹规划以样条曲线定义的轮廓的加工任务，Ｔｉｎｕｉｒ等人［２９１提出了?Ｘ，和Ｚ三轴的时间最优轨迹规划算法，给出了最优速度轨迹的分段解析表达形式。然而，
Ｕ??图２．１规划的参数速度轨迹和ＶＬＣ曲线??规划后的参数速度轨迹和ＶＬＣ曲线如图２．１所示。由图２．１可知，针对未考虑约??束（２．３１）及考虑约束（２．３１）两种情形，所提出的反向前向检测算法和相应的推广的反向前??向算法规划的参数速度轨迹均严格在ＶＬＣ边界下，进而满足了参数空间中的约束。进一??步地，当考虑约束（２．３１）时，相平面解空间中将会增加两个不可行的孤岛。由图２．１可知，??提出的推广反向前向算法规划的轨迹可以成功绕过此类不可行孤岛。??另一方面，图２．２和图２．３分别表示未考虑约束（２．３１）及考虑约束（２．３１）的速度和加速??度规划轨迹。图２．２和图２．３更直观地表明，规划的轨迹均严格满足所有指定的速度和加??速度约束。由图２．３中的放大图可知，推广的反向前向轨迹规划算法规划出的速度轨迹可??以避开约束（２．３１）中在区间ｗｅ?［０．０５，０．０９］和区间ｕｅ?［０．３４，０．４１］设定的速度范围，进一??步验证了所提算法的有效性。同时
【参考文献】：
期刊论文
[1]水下机器人-机械手系统非奇异终端滑模控制[J]. 王尧尧,顾临怡,陈柏,吴洪涛. 浙江大学学报(工学版). 2018(05)
[2]机电伺服系统鲁棒自适应重复控制[J]. 邓文翔,马吴宁,姚建勇. 上海交通大学学报. 2016(09)
[3]水下运载器非奇异快速终端滑模控制[J]. 王尧尧,顾临怡,高明,贾现军,朱康武. 浙江大学学报(工学版). 2014(09)
[4]自由时间最优控制问题的一种控制向量参数化方法[J]. 李树荣,张强,雷阳,张晓东. 控制与决策. 2011(07)
[5]Curve fitting and optimal interpolation on CNC machines based on quadratic B-splines[J]. ZHANG Mei 1,YAN Wei 2,YUAN ChunMing 1,WANG DingKang 1 & GAO XiaoShan 1 1 Key Laboratory of Mathematics Mechanization,Academy of Mathematics and Systems Science,Chinese Academy of Sciences,Beijing 100190,China;2 Research Institute of Petroleum Exploration and Development,Beijing 100083,China. Science China（Information Sciences）. 2011(07)
[6]数字制造与数字装备[J]. 熊有伦,王瑜辉,杨文玉,尹周平. 航空制造技术. 2008(09)
[7]极端制造:当代制造科学与技术的前沿[J]. 钟掘. 机械工人.冷加工. 2005(11)
[8]21世纪中国制造业面临的挑战与机遇[J]. 路甬祥. 机械工程师. 2005(01)
[9]先进制造技术——制造业走向21世纪[J]. 熊有伦,罗欣,何汉武,杨叔子. 世界科技研究与发展. 1996(Z1)
博士论文
[1]行走下肢液压增力外骨骼自适应鲁棒力控制研究[D]. 陈珊.浙江大学 2017
[2]基于最优控制的数控系统轨迹规划方法研究[D]. 张强.中国石油大学(华东) 2014
[3]基于非线性和柔性特性分析及补偿的直线电机精密运动控制[D]. 陈正.浙江大学 2012
[4]基于全局任务坐标系的精密轮廓运动控制研究[D]. 胡楚雄.浙江大学 2010
[5]气动肌肉并联关节高精度位姿控制研究[D]. 朱笑丛.浙江大学 2007
本文编号：3562228
【文章来源】：浙江大学浙江省 211工程院校 985工程院校 教育部直属院校
【文章页数】：129 页
【学位级别】：博士
【部分图文】：
图１．３?Ｓｈｉｎ和ＭｃＫａｙ寻找切换点原理图??速度临界曲线检查ＪＣ（ｊｃ），切换点ｄ是？Ｃ（ｘ）符号改变的点
在临界点处，速度临界曲线的斜率不连续［５４】，如图１．５中的ａ点和ｃ点界点处，参数加速度ｉ和参数速度ｉ的约束方程中，参数加速度的系数此临界点也被称为零惯量点（Ｚｅｒｏ?Ｉｎｅｒｔｉａ?Ｐｏｉｎｔｓ）。Ｓｈｉｌｌｅｒ和Ｌｕ【４２，５４１进一步界曲线上奇异点（ＳｉｎｇｕｌａｒＰｏｉｎｔｓ）和奇异弧（ＳｉｎｇｕｌａｒＡｒｃ）的存在性。本一类特殊的临界点，而奇异弧由一系列的奇异点组成。文献［｜，２６．５２］指出，为轨迹，参数加速度；ｔ在所有时刻均取最大参数加速度或最小参数加速度。Ｌｕ［４２’５４］证明，在奇异点和奇异弧处，参数加速度±？取最大参数加速度或最可能使得优化轨迹越过速度临界曲线，从而违反相应的约束条件。针对这ｌｅｒ？和Ｌｕ给出了奇异点和奇异弧处的参数加速度的可行解范围，从而完善了析的时间最优轨迹规划算法。??控加工的应用中，部分学者也开展了基于相平面分析的时间最优轨迹规划以样条曲线定义的轮廓的加工任务，Ｔｉｎｕｉｒ等人［２９１提出了?Ｘ，和Ｚ三轴的时间最优轨迹规划算法，给出了最优速度轨迹的分段解析表达形式。然而，
Ｕ??图２．１规划的参数速度轨迹和ＶＬＣ曲线??规划后的参数速度轨迹和ＶＬＣ曲线如图２．１所示。由图２．１可知，针对未考虑约??束（２．３１）及考虑约束（２．３１）两种情形，所提出的反向前向检测算法和相应的推广的反向前??向算法规划的参数速度轨迹均严格在ＶＬＣ边界下，进而满足了参数空间中的约束。进一??步地，当考虑约束（２．３１）时，相平面解空间中将会增加两个不可行的孤岛。由图２．１可知，??提出的推广反向前向算法规划的轨迹可以成功绕过此类不可行孤岛。??另一方面，图２．２和图２．３分别表示未考虑约束（２．３１）及考虑约束（２．３１）的速度和加速??度规划轨迹。图２．２和图２．３更直观地表明，规划的轨迹均严格满足所有指定的速度和加??速度约束。由图２．３中的放大图可知，推广的反向前向轨迹规划算法规划出的速度轨迹可??以避开约束（２．３１）中在区间ｗｅ?［０．０５，０．０９］和区间ｕｅ?［０．３４，０．４１］设定的速度范围，进一??步验证了所提算法的有效性。同时
【参考文献】：
期刊论文
[1]水下机器人-机械手系统非奇异终端滑模控制[J]. 王尧尧,顾临怡,陈柏,吴洪涛. 浙江大学学报(工学版). 2018(05)
[2]机电伺服系统鲁棒自适应重复控制[J]. 邓文翔,马吴宁,姚建勇. 上海交通大学学报. 2016(09)
[3]水下运载器非奇异快速终端滑模控制[J]. 王尧尧,顾临怡,高明,贾现军,朱康武. 浙江大学学报(工学版). 2014(09)
[4]自由时间最优控制问题的一种控制向量参数化方法[J]. 李树荣,张强,雷阳,张晓东. 控制与决策. 2011(07)
[5]Curve fitting and optimal interpolation on CNC machines based on quadratic B-splines[J]. ZHANG Mei 1,YAN Wei 2,YUAN ChunMing 1,WANG DingKang 1 & GAO XiaoShan 1 1 Key Laboratory of Mathematics Mechanization,Academy of Mathematics and Systems Science,Chinese Academy of Sciences,Beijing 100190,China;2 Research Institute of Petroleum Exploration and Development,Beijing 100083,China. Science China（Information Sciences）. 2011(07)
[6]数字制造与数字装备[J]. 熊有伦,王瑜辉,杨文玉,尹周平. 航空制造技术. 2008(09)
[7]极端制造:当代制造科学与技术的前沿[J]. 钟掘. 机械工人.冷加工. 2005(11)
[8]21世纪中国制造业面临的挑战与机遇[J]. 路甬祥. 机械工程师. 2005(01)
[9]先进制造技术——制造业走向21世纪[J]. 熊有伦,罗欣,何汉武,杨叔子. 世界科技研究与发展. 1996(Z1)
博士论文
[1]行走下肢液压增力外骨骼自适应鲁棒力控制研究[D]. 陈珊.浙江大学 2017
[2]基于最优控制的数控系统轨迹规划方法研究[D]. 张强.中国石油大学(华东) 2014
[3]基于非线性和柔性特性分析及补偿的直线电机精密运动控制[D]. 陈正.浙江大学 2012
[4]基于全局任务坐标系的精密轮廓运动控制研究[D]. 胡楚雄.浙江大学 2010
[5]气动肌肉并联关节高精度位姿控制研究[D]. 朱笑丛.浙江大学 2007
本文编号：3562228
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