3。1  极点配置法基本原理 19

3。2  极点配置 19

3。2。1  系统性能指标 19

3。2。2  控制器设计 20

3。3  柔性关节系统的状态观测器设计 22

3。3。1  状态观测器概述 22

3。3。2 柔性关节系统状态观测器设计 23

3。3。3 柔性关节系统状态观测器仿真 24

3。4  柔性关节控制Matlab仿真 25

3。5  Quanser柔性关节控制实验 27

3。6  本章小结 29

4  基于经典PID控制的柔性关节控制器设计 30

4。1  PID控制基本原理 30

4。2 控制器设计 30

4。2。1 用计算方法确定控制器参数 30

4。2。2  用实验方法确定PID参数 33

4。3  柔性关节PID控制Matlab仿真 34

4。4  Quanser柔性关节PID控制实验 36

4。5 本章小结 37

结  论 38

致  谢 39

参 考 文 献 40

1  绪论

1。1  研究背景及意义

随着经济的发展，我国产业进入了由劳动密集型向创新型转变的转型期。“十三五”规划要求我们将科技与经济深度融合，创新要素配置更加高效，重点领域和关键环节核心技术取得重大突破，自主创新能力全面增强，迈进创新型国家和人才强国行列[1]。向创新型转变的企业越来越多地依靠自动化设备，而对自动化设备最直接的实现就是对机械臂的控制。

传统的工业机械臂通常为刚性臂，它易于建模，便于控制，但往往体积大，质量重，给生产带来额外的消耗。近年来兴起的空间探索技术，更是要求机械臂可以完成释放、回收卫星以及在轨建设、维修等更加复杂的工作[2]，这种关节往往带有柔性。与传统刚性臂相比，带有柔性的机械臂具有重量轻、灵活性好等突出特点，因此具有广泛的应用价值。但其高负载自重比以及低阻尼等特点，使得其动力学相对于刚性机械臂来说更加复杂[3]。

关节作为机械臂的核心组成部件，要完成产生与传递动力、位置感知、机械连接三个任务，是保证机械臂运动能力、运动精度、运动平稳性以及运动安全性等一系列问题的关键[4]。

由于关节柔性的存在，如果柔性关节机械臂系统的振动被激发，系统一般很难快速衰减，并且激发机构共振导致柔性关节机械臂系统损坏，以上问题会严重影响控制的精度及系统的稳定[5]。

因此，要实现柔性关节臂的控制策略，主要是：(1)对被控对象精确地建模，得到一个可以满足实际特性的数学模型，以满足系统的稳定性；(2)减小运动过程中被控对象的振动，以满足控制的准确性及快速性。

近十年来，柔性关节系统成为了研究的热点，也吸引了大量的专家学者的关注，他们也基于不同的模型，提出了一系列的控制方法，例如线性反馈法，奇异摄动法，滑模控制，以及模糊控制等等。目前对柔性机器人的研究还处在起步阶段，实现柔性机械臂在国防科技、航天航空以及工业生产中的应用具有非常重要的意义[6]。