基于时延估计技术的漂浮基空间机械臂容错控制.pdf

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1、2015年4月机械设计与制造工程Apr．2015第44卷第4期MachineDesignandManufacturingEngineeringVo1．44No．4DOI：10．3969／j．issn．2095—509X．2015．04．002基于时延估计技术的漂浮基空间机械臂容错控制郭天，陈力(福州大学机械工程及自动化学院，福建福州350108)摘要：讨论了具有未知参数的漂浮基空间机械臂在发生电机故障时的动力学建模、运动容错控制算法问题。利用Lagrange第二类动力学方程建立了系统在发生故障时的动力学模型。针对该模

2、型，提出了一种基于Backstepping思想与时延估计技术相结合的容错控制方法，并证明了整个闭环控制系统的渐进稳定性。提出的混合控制方法能够有效地解决漂浮基空间机械臂参数不确定及电机故障问题。通过计算机数值仿真，验证了上述控制方案的有效性和可行性。关键词：漂浮基；空间机械臂；时延估计；容错控制中图分类号：TP242．3文献标志码：A文章编号：2095—509X(2015)04—0005一o4随着空间科学技术的快速发展，人类在太空作关节锁死问题，设计出一种最优路径的方法，来避业将会越来越频繁。近几十年来。空间站、航天

3、飞免故障对系统的影响；文献[12]对工程中的机械机以及空间机械臂系统的广泛应用，使得人类已经振动问题提出了较为有效的解决方法，可以用来解能够在空间环境中完成很多复杂的工作。作为将决柔性机器人的振动问题；文献[13]提出了一种来逐渐代替人类工作的空问机械臂系统成为了国刚、柔机械臂相耦合的机器人系统，并为其设计了内外科学家研究的热点¨j。由于空间机械臂系控制方法，同时解决了轨迹跟踪与柔性振动问题。统与载体之间存在着复杂的动力学耦合关系以及本文将漂浮基空间机械臂动力学模型与系统系统参数不确定的情况，因此空间机械臂系统的轨动

4、量、动能守恒原理相结合，讨论了载体位置不受迹控制问题一直是该领域内的难点。控、姿态受控情况下，漂浮基空问机械臂系统的容综合空间作业巨大的经济成本和维修难度极错控制问题，设计了一种基于时延估计技术的容错高等因素，容错控制技术便具有极高的实用价值与控制方案。该方案具有不需要对故障进行在线估经济价值。由于容错控制具有在系统发生故障时计的特点，并且具有很强的自适应能力，保证了系仍然保证系统稳定的特点，所以在空间机械臂系统统的稳定性和轨迹跟踪的精确性。的研究领域有着很高的实用价值。但目前容错控制技术与空间机械臂系统相结合的研究

5、并不多，大1建立具有关节控制电机故障的漂浮基空多数理论研究都是应用于固定载体的地面机械臂间机械臂动力学模型系统中。文献[7]设计了一种鲁棒自适应的控制作平面运动的漂浮基空间机械臂系统，几何结方法对系统故障进行补偿；文献[8]针对双电机同构如图1所示。整个系统由漂浮基座、刚性机步驱动伺服系统中执行器失效的情况，提出了一种械臂，及刚性机械臂共同组成，并假设系统做基于自适应滑模的故障诊断和容错控制策略；文献平面运动。[9]针对水下机器人提出了一种基于RCMAC递归根据Lagrange第二类动力学方程并结合系统小脑神经网络在

6、线辨识故障的主动滑模容错控制动能、动量守恒关系⋯，可得到关节控制电机发生方法；文献[10]基于李亚普诺夫方程的LMI条件故障时的空间机械臂系统动力学方程：及次优性能，设计了一种同时实现系统的故障补偿D()l}+日(，)=(1)控制和性能优化的控制方法；文献[11]对机器人式中：=(。，，)。，。，19。，分别为载体姿态收稿日期：2015—03—03基金项目：国家自然科学基金资助项目(11372073)作者简介：郭天(1988一)，男，陕西西安人，福州大学硕士研究生，主要研究方向为空间机器人智能控制。·5·2015年第

7、44卷机械设计与制造工程之间满足如下关系=一(9)初步设计系统控制器为=D0()+Do()+Pi+7D(10)式中：P∈R，为对角、正定的参数矩阵；。为下一步设计的反演时延容错补偿控制器，主要用于补偿系统参数不确定以及关节驱动电机故障所产生的影响。由于系统变化较慢，此时采用时延控制技术，并结合式(10)，设计反演时延容错补偿控制器如下：图1柔性空间机械臂系统=一D()oL一(0，)(11)式中：￡为系统设计时延；D仳，为时延前的系角、刚性机械臂的转角和刚性机械臂曰的转统的标称系统矩阵。角；D(0)为3×3的对称、正定

8、系统惯量矩阵；=[卢0(t—L)1r1(t—L)卢22(t一tt(0，)为包含科氏力、离心力的3×3对称正定矩)]T阵；=(／3o0，卢。。，卢22)’为控制姿态角及2个关2iL=[Oo(t—L)l(t—L)2(t—L)]节角的关节驱动电机输出力矩，IB(i=0，1，2)为各OL：[。(t—L)。(t—L)(t一￡)]关节驱动电机的故障因子，且