基于阻尼衰減的柔性關節機械結構解耦控制研究

嚴繼超

摘 要：為了提高柔性關節機械結構力學分配和自動控制能力，提出一種基于阻尼衰減的柔性關節機械結構解耦控制方法，構建柔性關節機械結構的力學分配模型，采用線性解耦方法進行柔性關節機械結構的關節穩定位置調節，采用模糊自適應參數反饋修正方法進行機械機構阻尼單元和彈簧單元的力學參數分配和誤差修正，在阻尼衰減下進行柔性關節機械結構解耦控制律設計，以動態變化的穩定域為柔性關節機械結構的可靠性控制價約束條件，獲取全局最優解，實現柔性關節機械結構解耦控制優化。仿真結果表明，采用該方法進行柔性關節機械結構解耦控制的穩定性較高，自適應性能較好，提高了柔性關節機械結構的力學自動分配能力。

關鍵詞：阻尼衰減;柔性關節;機械結構;解耦控制

文章編號：2095-2163（2019）04-0267-04 中圖分類號：TG501 文獻標志碼：A

0 引 言

隨著人工智能技術的發展，各種機械臂和機械手出現并逐漸取代繁瑣的人工勞動，提高了機械裝配的智能化水平，柔性關節機械結構作為常用的機械臂部件，對柔性關節機械結構的力學自動分配和解耦控制是該類機械手設計的關鍵，研究柔性關節機械結構的解耦控制方法，在提高關節的力學自動分配能力，促進機械臂的自適應力學參數調節方面具有重要意義[1]。

對柔性關節機械結構解耦控制是建立在對柔性關節的力學特征參數提取和控制律優化設計基礎上，傳統方法中，柔性關節機械結構解耦控制方法主要有模糊PID控制方法、滑模控制方法等[2-3]，構建柔性關節機械結構解耦控制約束參量模型，結合對柔性關節機械結構的力學參數分析進行控制律設計，取得了較好的控制效果，但上述方法在對柔性關節機械結構的力學解耦控制中存在自適應性不好和魯棒性不高的問題，針對上述問題，本文提出一種基于阻尼衰減的柔性關節機械結構解耦控制方法，構建柔性關節機械結構的力學分配模型，采用線性解耦方法進行柔性關節機械結構的關節穩定位置調節，采用模糊自適應參數反饋修正方法進行機械結構阻尼單元和彈簧單元的力學參數分配和誤差修正，在阻尼衰減下進行柔性關節機械結構解耦控制律設計，以動態變化的穩定域為柔性關節機械結構的可靠性控制價約束條件，獲取全局最優解，實現柔性關節機械結構解耦控制優化，最后進行仿真實驗分析，展示了本文方法在提高柔性關節機械結構解耦控制能力方面的優越性能。

1 被控對象描述和約束參量分析

1.1 柔性關節機械結構被控對象

為了實現柔性關節機械結構解耦控制，需要首先構建柔性關節機械結構穩定性控制的約束參量模型，結合參數模型的優化識別，進行柔性關節機械結構的力學參數動態分析[4]，柔性關節機械結構剛體模型如圖1所示。

在考慮阻尼衰減約束下，柔性關節機械結構的控制參數辨識模型為：

分析多自由度并聯柔性機的辨識誤差，構建五軸聯動下的柔性關節機械結構約束參量模型，根據柔性關節機械結構的參數優化調節進行模糊控制，在二維Bernoulli空間中，柔性關節機械結構的解耦控制調節函數為：

結合單自由度柔性關節模型進行特征分解，構建剛度與位置解耦模型，進行柔性關節機械結構的慣性約束參量調節[5]，得到柔性關節機械結構的過程可靠性調節系數矩陣記作：

分析柔性關節機械結構的穩態特征方程，得到機械結構的穩態特征量為：

在導引進給方向為Y 軸方向上，采用線性解耦方法進行柔性關節機械結構的關節穩定位置調節，結合柔性關節機械結構系統的模態參數識別方法進行自適應調節和可靠性控制。

1.2 力學參數分析

采用力學參數調節方法進行柔性關節機械結構的誤差反饋調節，在一個無窮小的轉矩 ΔT 作用下，得到靜力平衡關系：

采用共軛梯度法進行柔性關節機械結構的力學特征分解，在柔性關節機械結構的操作臂位姿準確控制中，得到聯動控制方程滿足：

將參數代入上式可以得到：

考慮剛度改變時引起的阻尼誤差，采用阻尼衰減調節方法，實現柔性關節機械結構的聯動控制優化，得到狀態參量特征解：

分析2個變剛度裝置的剛度誤差滿足：

可見，本文設計的柔性關節機械結構解耦控制過程是穩定收斂的，根據上述力學參數模型分析，進行控制律的優化設計。

2 柔性關節機械結構解耦控制律優化

2.1 柔性關節機械結構的阻尼衰減調節

在上述構建柔性關節機械結構的力學分配模型中，采用線性解耦方法進行柔性關節機械結構的關節穩定位置調節的基礎上，進行控制律優化設計，本文提出一種基于阻尼衰減的柔性關節機械結構解耦控制方法，計算柔性關節機械結構過程可靠性調節的參量集：

調整關節剛度的變化量，進行多目標優化求解，為：

柔性關節的閉環傳遞函數：

2.2 控制律優化及穩定性分析

采用模糊自適應參數反饋修正方法進行機械機構阻尼單元和彈簧單元的力學參數分配和誤差修正[9]，機械結構的動態參數辨識閾值ρ-（t），即：

基于Lyapunov穩定性原理，得到設計的柔性關節機械結構解耦控制律是穩定收斂的，由此獲取全局最優解，實現柔性關節機械結構解耦控制優化。

3 仿真實驗與結果分析

為了測試本文方法在實現柔性關節機械結構的解耦控制和力學參數自動估計中的應用性能，進行實驗分析，實驗的控制算法設計采用Visual C++和Matlab聯合設計，對柔性關節機械結構在垂直臂桿長度設定為4.2m，關節的數目為3，對關節的力學數據采樣時間為12s，柔性關節機械結構的構型參數為1.24，控制器為 DSpace1103，根據上述仿真環境和參數設定，進行柔性關節機械結構的控制仿真，得到關節的力學參數采集結果如圖2所示。

根據圖2的數據采集結果，進行柔性關節機械結構位置調節，以動態變化的穩定域為柔性關節機械結構的可靠性控制價約束條件，獲取全局最優解，實現對柔性關節機械結構的優化控制，控制收斂曲線如圖3所示。

分析圖3得知，采用本文方法進行柔性關節機械結構控制的收斂性較好，測試不同方法進行柔性關節機械結構控制的精度。

4 結束語

研究柔性關節機械結構的解耦控制方法，提高關節的力學自動分配能力，本文提出基于阻尼衰減的柔性關節機械結構解耦控制方法，采用線性解耦方法進行柔性關節機械結構的關節穩定位置調節，采用模糊自適應參數反饋修正方法進行機械結構阻

尼單元和彈簧單元的力學參數分配和誤差修正，在阻尼衰減下進行柔性關節機械結構解耦控制律設計，以動態變化的穩定域為柔性關節機械結構的可靠性控制價約束條件，獲取全局最優解，實現柔性關節機械機構解耦控制優化。研究得知，本文方法進行柔性關節機械結構解耦控制的穩定性較好、收斂性較強、具有很好的魯棒性。

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