面向带输入输出约束的柔性机械臂的控制算法设计

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1、朵击种成丈達ＥＲＳＮＣＥＡＭＤＴＥＣＨＮＯＬＯＣＹＯＦＣＨＩＮＡＵＮＩＴＹＯＦＥＬＥＣＴＲＯＮＩＣｓｃＩＥＩＶ硕±学位论文ＭＡＳＴＥＲＴＨＥＳＩＳ论文题目面向带输人输出约束的柔性机械臂的控制算法设计学科专业控制科学与工程学号２０１３２１０７０４３９作者姓名何修字指导教师胡江平教授独创性声明本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。据我所知，除了文中特别加１＾１标注和致谢的地方夕ｈ论文中不包含其他人已经

2、发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得化子科技大学或其它教育机构的学位或证书而使抽过的材料。与我同工作的同志对本研究所做的任何贡献埼已在论文中作了明确的说明并表示谢意。作者签名：向／争字口期：年＾巧２２４］论支使用授权本学位论文作者完全Ｔ解电子科技大学有关保留、使用学位论文的规定，，有权保留并向国家巧关部口或机构送交论文的复印件和磁盘允许论文被话阅和借。本人授权电子科技大学可ｙ■将学位论文的全ｆ词部或部分内容编入有关数据库进行检索，可Ｗ采用影印、缩印或巧描等复制手段保存、茫编学位论

3、文。（保密的学位论文在解密后晚遵守此规定）碱作者签名：：如／考章导师签名气Ｈ：如换同＾年月期＾分类号密级注1UDC学位论文面向带输入输出约束的柔性机械臂的控制算法设计（题名和副题名）何修宇（作者姓名）指导教师胡江平教授电子科技大学成都（姓名、职称、单位名称）申请学位级别硕士学科专业控制科学与工程提交论文日期2016.4.17论文答辩日期2016.5.16学位授予单位和日期电子科技大学2016年6月答辩委员会主席评阅人注1：注明《国际十进分类法UDC》的类号。ControlDesignforFlexible

4、RoboticManipulatorwithInputandOutputConstraintsAMasterThesisSubmittedtoUniversityofElectronicScienceandTechnologyofChinaMajor:ControlScienceandEngineeringAuthor:XiuyuHeAdvisor:Prof.JiangpingHuSchool:SchoolofAutomationEngineering摘要摘要在对深海开发，深空探测等未知领域的不断探索过程中，高精度的工作要

5、求或是恶劣的工作环境促使机械臂的作用越来越明显。随着机械臂的作用范围的扩大，生产过程中所面临的严苛实际问题以及工程中提出的苛刻的功能指标，将激发对于机械臂的进一步研究。传统的机械手臂大多是采用刚性的机械材料，在一般的工程环境下，能很好地满足具体的操作要求。但是，这样的机械设计将不可避免的增加机械臂的质量，降低系统的灵活性以及增大机械臂的功耗。这些缺陷对于很多的系统是不可忍受的。为了克服传统机械臂的各项缺点，采用更为轻便的柔性材料是不错的选择，因其质量轻、柔韧性好、能耗低等优点，使得柔性材料在各个领域得到了越来越多的关注与应

6、用。然而正是因为柔性材料柔韧性强的特性，材料自身就必然易于受到外界环境扰动的影响，从而产生强烈的机械振动，降低系统的性能以及精度，甚至损毁机械结构，造成严重的经济损失。如何有效的抑制柔性结构的振动问题，是一个急于解决的课题。在本文中，将主要以柔性机械臂为研究对象，深入的研究机械臂系统的振动控制问题，位置跟踪问题以及输入输出约束的问题。首先，运用哈密顿原理，得到一组偏微分方程和常微分方程来描述柔性机械臂的动力学特性。本文将研究两类具体的柔性机械臂模型，欧拉伯努利梁结构和铁木辛柯梁结构，对于这两类柔性梁结构，设计主动的边界控制

7、方法。针对带非线性输入约束的问题，设计一种可实现的边界控制策略，补偿带输入约束的非线性特性，并有效地抑制系统的振动。针对带输出约束的问题，构造障碍李雅普诺夫函数，设计一种新的边界控制率，并证明其闭环系统的稳定性。其次，运用有限差分法对柔性机械臂系统的动力学模型和设计的边界控制器进行数字仿真，选择一组合适的系统参数，用得到的一系列仿真结果验证文中所设计的边界控制器的有效性以及验证控制器能够实现对给定的角度位置的精确跟踪。本文的研究成果将进一步地丰富分布式参数系统的边界控制理论，为实际工程中振动抑制问题提供理论基础和设计思路。

8、关键词：分布式参数系统，障碍李雅普诺夫函数，边界控制，柔性机械臂，输入输出约束IIABSTRACTABSTRACTIntheprocedureofthedevelopmentoftheunknownfliedfortheexploitationofthedeepseaanddeepspacedetect