3-DOF并联机械臂轨迹跟踪控制研究

发布时间：2020-10-27 17:25

　　 随着全球经济和科技的发展,实现机械臂的高精度控制,满足多样化的工艺精度需求,具有重要的科研和实际工程意义。3-DOF并联机械臂是一种非线性、强耦合的并联机构系统,其并联机械结构导致数学模型更加复杂,控制难度更大。本文针对3-DOF并联机械臂的摩擦、死区补偿和末端任务空间控制问题,提出相应的控制策略,实现并联机械臂轨迹跟踪控制。论文主要研究内容如下:首先,对3-DOF并联机械臂进行动力学分析,简化并联机械臂结构模型,采用欧拉-拉格朗日方程建立并联机械臂的动力学模型,为后续控制器设计奠定基础。其次,针对并联机械臂轨迹跟踪控制中的动态摩擦补偿问题。设计自适应模糊滑模控制器,自适应模糊系统实时估计动态摩擦项,提高并联机械臂的支链跟踪精度,实现并联机械臂模型中动态摩擦项的补偿。采用Lyapunov分析方法,证明闭环系统的稳定性,实现了并联机械臂各支链轨迹跟踪控制。再次,基于并联机械臂在支链力矩输出死区情况下的轨迹跟踪控制问题。提出自适应神经网络积分型滑模控制算法,引入积分型切换函数,减少外部扰动引起的稳态误差。对并联机械臂滚珠丝杠、带轮等执行机构存在的死区非线性补偿,设计自适应神经网络补偿器,利用自适应RBF神经网络对未知项在线逼近,实现并联机械臂各支链力矩输出死区补偿。通过设计Lyapunov函数,分析闭环系统的收敛性,仿真结果表明,所设计控制器具有补偿死区非线性的能力。最后,针对并联机械臂末端在任务空间中的轨迹跟踪控制问题,设计分数阶终端滑模控制器。对于终端滑模控制器存在的抖振现象问题,将具有随时间衰减特性的分数阶算子引入到切换函数中,通过分数阶滑动模态来消弱并联机械臂的抖振,并保证并联机械臂的状态在有限时间内收敛到系统的平衡点。仿真数据结果表明,实现了并联机械臂末端在任务空间中的轨迹跟踪控制。
【学位单位】：燕山大学
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2019
【中图分类】：TP241
【文章目录】：
摘要
Abstract
第1章 绪论
    1.1 课题研究背景及意义
    1.2 机械臂国内外研究现状
    1.3 机械臂轨迹跟踪控制策略
    1.4 机械臂轨迹跟踪控制中的关键问题
    1.5 本文研究内容和章节安排
第2章 3-DOF并联机械臂动力学建模
    2.1 引言
    2.2 3-DOF并联机械臂结构
    2.3 3-DOF并联机械臂动力学建模
        2.3.1 3-DOF并联机械臂系统总能量
        2.3.2 3-DOF并联机械臂动力学模型
    2.4 本章小结
第3章 基于AFSMC的机械臂轨迹跟踪控制
    3.1 引言
    3.2 摩擦力模型
        3.2.1 静态摩擦力模型
        3.2.2 动态摩擦力模型
    3.3 模糊补偿动态摩擦控制器设计
        3.3.1 含有动态摩擦的机械臂模型
        3.3.2 自适应模糊滑模控制器设计
        3.3.3 稳定性分析
    3.4 仿真研究
    3.5 本章小结
第4章 基于ANNSMC的机械臂轨迹跟踪控制
    4.1 引言
    4.2 问题描述
    4.3 自适应神经网络滑模控制器设计
        4.3.1 RBF神经网络设计
        4.3.2 积分型滑模控制器设计
    4.4 基于死区特性的神经网络补偿器设计
        4.4.1 死区非线性特性分析
        4.4.2 RBF神经网络补偿器设计
    4.5 仿真研究
    4.6 本章小结
第5章 基于任务空间的并联机械臂轨迹跟踪控制
    5.1 引言
    5.2 问题描述
    5.3 分数阶微积分原理
        5.3.1 分数阶微积分定义
        5.3.2 分数阶微积分性质
    5.4 分数阶终端滑模轨迹跟踪控制
        5.4.1 分数阶终端滑模控制器设计
        5.4.2 控制器稳定性证明
        5.4.3 分数阶终端滑模仿真研究
    5.5 本章小结
结论
参考文献
攻读硕士学位期间承担的科研任务与主要成果
致谢

【参考文献】

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本文编号：2858822