多机器人系统同时镇定控制及应用研究

作     者：张海英 

作者单位：山东交通学院 

学位级别：硕士

导师姓名：杨仁明;刘锋

授予年度：2022年

学科分类：08[工学] 080202[工学-机械电子工程] 0802[工学-机械工程] 080201[工学-机械制造及其自动化] 

主      题：多机器人系统 同时镇定 有限时间鲁棒控制 饱和控制 

摘      要：近年来,随着科学技术与智能制造技术的进步和发展,机器人技术备受关注。值得指出的是,机器人是一种结构复杂多变的强非线性系统,在控制运行过程中存在自身结构化不确定性、外界干扰、时滞等因素影响机器人的性能。另外,在现代工业领域,机器人系统覆盖的生产线越来越庞大,任务也越来越艰巨,单个机器人很难满足复杂的生产需求。因此,在大规模复杂的作业环境中,多机器人的协同作业任务不可避免,多机器人合作工作模式已成为产业发展的大势所趋。然而,在实际应用中,为每个机器人系统设计单独的控制器效果并不理想,且成本较高,这就意味着需要考虑多机器人的同时镇定设计问题。为此,本文充分考虑多机器人运行过程中存在干扰、饱和、自身不确定性以及时滞等因素,结合Hamilton控制理论、应用统一偏导算子(UP-DO)、正交分解法以及扩维技术研究多机器人系统的同时镇定问题,分别设计了无穷时间、有限时间鲁棒同时镇定控制器,有效解决了机器人控制中的关键问题,为其实际应用奠定了良好的基础。本文的主要研究内容有以下三个方面:(1)考虑多机器人运行过程中受外部干扰的影响,应用Hamilton函数方法研究了多个n自由度(n-DOF)机器人系统的鲁棒同时镇定问题。首先,将n-DOF机器人系统转化为等效的Hamilton模型。在此基础上,应用扩维技术,将两个机器人系统扩展为一个高维机器人Hamilton系统,据此对多机器人系统的同时镇定控制进行了研究,并充分考虑多机器人系统受外部干扰的情况,给出了多机器人系统的鲁棒同时镇定控制方案。最后,通过三个机器人的鲁棒同时镇定仿真实验验证其有效性。(2)采用Hamilton函数方法研究了多个n-DOF机器人系统的鲁棒自适应同时镇定问题,给出了相应的控制结果。接着充分考虑多机器人系统存在参数不确定性的情况,对多机器人系统的鲁棒自适应同时镇定控制问题展开研究,给出了若干多机器人鲁棒自适应同时镇定结果。最后,通过两个机器人的鲁棒自适应同时镇定仿真实验验证了控制方案的有效性。(3)基于一般形式的非线性系统,研究了饱和时滞系统的有限时间鲁棒镇定以及鲁棒同时镇定问题。首先,应用Hamilton方法和能量整形方法,给出了时滞饱和非线性系统的有限时间鲁棒镇定结果。在此基础上,推广该方法研究了一组时滞饱和非线性系统,并为其设计了相应的有限时间鲁棒同时镇定控制器。最后,将得到的有限时间鲁棒同时镇定方案应用于研究一组实际的机械臂系统,验证了本文控制方案的有效性。