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基于自抗扰控制的机器人关节控制系统

作　者: 叶恭宇
导　师: 高峰
学　校: 浙江工业大学
专　业: 机械工程
关键词: 自抗扰控制器 机器人关节 四自由度 伺服控制
分类号: TP242
类　型: 硕士论文
年　份: 2013年
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内容摘要


随着机器人控制技术的发展,人们对机器人关节伺服系统的定位精度、响应速度、抗扰动性有了更高的要求,于是采用合理且高效的控制策略来提高机器人的静态性能和动态性能,成为了当今机器人控制技术研究的核心内容。本文采用自抗扰控制技术对机器人的关节进行控制,仿真表明自抗扰控制技术对模型的要求不高,对模型参数和外部扰动变化有着很好的适应性。为了获得更精确的关节伺服控制,提出了基于模型补偿的自抗扰控制系统。仿真表明,模型补偿自抗扰控制稳态精度高,响应速度快,有很好的抗干扰能力。本文的主要工作和成果如下：1.介绍了由直流力矩电机和谐波减速机组成的机器人关节机械结构,通过仿真分析了机器人关节的机械特性,仿真表明关节具有较好的响应速度、机械特性、调节特性；2.对四自由度关节型机器人进行了动力学分析,得出了得出了机器人的动力学方程,通过仿真验证了模型的正确性和合理性,为下文的机器人关节力矩分析和控制提供了基础。3.分别采用自抗扰控制技术、基于模型的自抗扰控制技术建立了机器人单关节控制模型,并通过仿真分析对比了经典PID控制、自抗扰控制和模型补偿的自抗扰控制之间的性能差异。基于模型补偿的自抗扰控制器在系统部分扰动模型已知的情况下,提高了扩张状态观测器对未知扰动的估计精度,从而获得了更好的系统控制精度。4.提出了基于自抗扰控制器的分散式四自由度机器人关节伺服控制系统。通过四个独立的自抗扰控制器对四自由度机器人进行控制,很好的补偿机器人关节间的耦合力矩。结合机器人动力学分析的方法,提出了重力补偿的自抗扰控制,使得四自由度机器人系统有更好的跟随性,抗突变负载能力和稳态精度。仿真表明,分散式结构的自抗扰控制器的控制系统具有良好的静态性能和优异的抗干扰能力,可以用于研究机器人动力学模型的完全解耦以及扰动补偿,进一步提高机器人系统的性能。

全文目录


摘要  5-6
ABSTRACT  6-10
第1章 绪论  10-15
  1.1 课题研究背景、目的和意义  10
  1.2 国内外的研究现状及存在的问题  10-13
    1.2.1 工业机器人结构的介绍  10-12
    1.2.2 国内工业机器人控制和系统补偿研究现状  12-13
  1.3 自抗扰控制技术介绍  13-14
  1.4 本文主要研究内容  14-15
第2章 机器人关节结构及建模  15-23
  2.1 机器人关节的结构  15-18
    2.1.1 电机的选取  15-16
    2.1.2 减速机的选取  16
    2.1.3 关节的机械结构  16-18
  2.2 直流力矩电机伺服系统的数学模型  18-22
    2.2.1 直流力矩电机转矩平衡方程  18
    2.2.2 直流力矩电机的电磁平衡方程  18-19
    2.2.3 直流力矩电机模型  19-22
  2.3 本章小结  22-23
第3章 四自由度关节型机器人的动力学分析  23-32
  3.1 机器人运动学介绍和分析  23-24
  3.2 机器人动力学建模  24-29
    3.2.1 机器人拉格朗日动力学方程  24-25
    3.2.2 四自由度关节型机器人动力学建模  25-29
  3.3 机器人动力学仿真  29-31
  3.4 本章小结  31-32
第4章 基于自抗扰控制的机器人关节伺服系统  32-51
  4.1 PID控制器的介绍  32-34
    4.1.1 PID控制器优缺点介绍  32-33
    4.1.2 PID控制器的缺陷分析  33
    4.1.3 PID控制器缺陷的解决方法  33-34
  4.2 自抗扰控制器的原理和组成部分  34-40
    4.2.1 自抗扰控制器的控制结构  34-35
    4.2.2 跟踪微分器TD  35-38
    4.2.3 状态误差反馈控制器SEF  38-39
    4.2.4 扩张状态观测器ESO  39
    4.2.5 扰动补偿环节  39-40
  4.3 自抗扰控制器参数的选取  40-41
  4.4 关节伺服系统的模型  41-43
  4.5 自抗扰控制系统仿真分析  43-45
  4.6 基于模型补偿的自抗扰控制系统建模  45-47
  4.7 基于模型补偿自抗扰控制系统仿真分析  47-50
  4.8 本章小结  50-51
第5章 机器人四关节联动轨迹跟踪控制  51-64
  5.1 四自由度机器人的模型分析  51-52
  5.2 四关节联动仿真  52-59
  5.3 基于重力补偿的机器人关节联动控制系统的仿真  59-62
  5.4 本章小结  62-64
第6章 总结和展望  64-66
  6.1 总结  64
  6.2 展望  64-66
参考文献  66-69
致谢  69

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中图分类: > 工业技术 > 自动化技术、计算机技术 > 自动化技术及设备 > 机器人技术 > 机器人
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