3。3 PD 加前馈鲁棒控制器设计 15

3。4 稳定性分析 17

3。5 系统仿真 19

结 论 22

致 谢 23

参 考 文 献 24

第一章 绪论

1。1 研究的背景和意义

传统的机械手控制算法大都采用 PD 控制法，为了得到精度比较高的跟踪轨迹， 控制增益的值一般取的都比较高，这种办法虽然能够使跟踪误差尽量满足要求，但 是高的控制增益往往容易使系统趋于不稳定。随着工业的快速发展，对控制效果的 要求也越来越高，单臂机械手的改进控制算法引发了人们浓厚的研究兴趣。

机械手动态控制的主要目的就是使机械手能够以理想的动态品质跟踪给定的 期望轨迹。如果能够获得机械手准确的动态数学模型，并且扰动信号是可以测量的， 这样的话就可以实现精确的定位或者跟踪。在现实的应用中要想得到精确的动态数 学模型并不是一件容易的事情，由于实际的机械手系统是比较复杂的，在建立数学 模型的时候需要做一些近似处理，忽略机械手关节处的各种摩擦，各种高频的动态 特性，以及传动机构间存在的各种机械误差，并且这些干扰信号大都属于比较难以 测量的信号，并且还由于机械手本身存在的装备误差和加工误差以及被操作对象未 知因素的影响，因而推导机械手系统的运动学关系就比较困难，即不方便建模。针 对所出现的这些问题，单臂机械手的控制系统的研究重点可以分为两个方面，一是 如何使跟踪误差减小到零，实现高精度的跟踪效果；二是如何抑制外部扰动和负载 变化对系统的影响，减少这些可能使控制系统变得不稳定的因素影响。

机械手是一个比较复杂的非线性系统，它具有非线性，强耦合的动力学特征， 特别是对一些多自由度的机械手实现高品质的控制，都是比较复杂的控制过程，由 于不能精确的建立模型和测量相关的变量，再加上外部扰动对系统的影响，和负载 变化对系统的影响，现实中很难得到机械手准确的动力学模型，所以我们需要设计 一种控制器能够克服各种不确定因素对机械手产生的影响。随着工业社会的发展， 也迫切需要高品质的机械手为工业生产服务，然而要实现对机械手的高品质控制， 必须考虑各种不确定因素的影响，基于 PD 的前馈结构算法作为一种经典控制算法， 前馈中加入鲁棒补偿项更大大提高了控制器对系统的控制性能，而鲁棒控制正是针 对未建模或者外界扰动干扰下的系统进行控制的，为此研究不确定性机械手的鲁棒 控制问题无论在现实生产还是理论研究上都有很重大的意义。

1。2 机械手系统的结构组成与控制分类

图 1-1 典型的机械手系统

机械手系统大致可以分为控制部分，检测部分和动作部分如上图所示。控制部 分是指根据检测到的信息，使动作部分按照期望结果去运行，检测部分是指通过传 感器对环境信息，机器人自身，操作对象物的检测，动作部分是指手腕，手指，手 臂等拥有行动功能的部分。单臂机械手按照计算机控制系统设定的期望轨迹去影 响，如果负载发生变化或者受到外界扰动的影响，通过检测部分会把这些变化的因 素反馈给计算机控制系统，计算机按照设定的控制率对系统进行校正补偿，输出控 制信给驱动伺服电机去驱动关节，关节按照调控制信号输出相应的力矩。一般将工 业机械手和步行机器人统称为机器人。