基于故障觀測器的可重構(gòu)機械臂主動容錯控制方法研究

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1、分類號：TP273單位代碼：10183研究生學(xué)號：2013524058密級：公開吉林大學(xué)碩士學(xué)位論文（專業(yè)學(xué)位）基于故障觀測器的可重構(gòu)機械臂主動容錯控制方法研究ResearchonFaultObserverBasedActiveFaultTolerantControlMethodforReconfigurableManipulator作者姓名：張甲子類別：工程碩士領(lǐng)域（方向）：控制工程指導(dǎo)教師：李元春教授培養(yǎng)單位：通信工程學(xué)院2016年6月基于故障觀測器的可重構(gòu)機械臂主動容錯控制方法研究ｒｌＴｒ

2、ＲｅｓｅａｒｃｈｏｎＦａｕｌｔＯｂｓｅｒｖｅＢａｓｅｄＡｃｔｉｖｅＦａｕｔｏｌｅａｎｔｒｌＣｏｎｔｏｌＭｅ化ｏｄｆｏｒＲｅｃｏｎｆｉｇｕｒａｂｌｅＭａｎｉｐｕａｔｏｒ作者姓名：張甲子領(lǐng)域：（方向）控制工程指導(dǎo)教師：李元春教授類別：工程碩±論文答辯曰期：２０１６年月＾曰未經(jīng)本論文作者的書面授權(quán)，依法收存和保管本論文書面版本、電子版本的任何單位和個人，均不得對本論文的全部或部分內(nèi)容進(jìn)行任何形式的復(fù)制、修改、發(fā)行、出租、改編等有礙作者著作權(quán)的商業(yè)性使

3、用（但純學(xué)術(shù)性使用不在此限）。否則，應(yīng)承擔(dān)侵權(quán)的巧律責(zé)任。吉林大學(xué)碩±學(xué)位論文原創(chuàng)性聲明：本人鄭重聲明所呈交學(xué)位論文，是本人在指導(dǎo)教師的指導(dǎo)。下，獨立進(jìn)行研巧工作所取得的成果除文中已經(jīng)注明引用的內(nèi)容外，本論文不包含任何其他個人或集體已經(jīng)發(fā)表或撰寫過的作品成果。對本文的研究做出重要貢獻(xiàn)的個人和集體，均已在文中。明確方式標(biāo)明。本人完全意識到本聲明的法律結(jié)果由本人承擔(dān)學(xué)位論文作者簽名：冰吁１日期：年月令曰／摘要由于機械臂技術(shù)的進(jìn)步促使其應(yīng)用的領(lǐng)域和范圍正在不斷擴展，人

4、們希望機械臂能完成更加復(fù)雜的任務(wù)。運用重新編程，可以使傳統(tǒng)的機械臂能夠很容易地完成許多不同的任務(wù)，然而傳統(tǒng)機械臂所能完成任務(wù)的范圍卻受其自身的機械結(jié)構(gòu)限制。在此情況下，可重構(gòu)機械臂的研究得到發(fā)展?？芍貥?gòu)機械臂是能夠按照特定任務(wù)，改變關(guān)節(jié)和連桿模塊，構(gòu)成任務(wù)所需求的構(gòu)形。針對可重構(gòu)機械臂這種新的機械臂構(gòu)形可以開展的研究內(nèi)容非常豐富，例如可重構(gòu)機械臂運動學(xué)與動力學(xué)模型建立、模型建立后控制器的設(shè)計以及在子系統(tǒng)發(fā)生故障時的故障檢測與容錯控制等。現(xiàn)代工業(yè)的高速發(fā)展，使得任務(wù)要求越來越高，有些任務(wù)已經(jīng)不適合人類直接

5、完成。例如，深空探測、海底探測等高危任務(wù)都已是可重構(gòu)機械臂取代人類完成。然而隨著工作任務(wù)與控制系統(tǒng)的日益復(fù)雜，且可重構(gòu)機械臂執(zhí)行任務(wù)時長期處在極端的工作環(huán)境，導(dǎo)致其執(zhí)行機構(gòu)與傳感機構(gòu)不可避免的會發(fā)生某些故障。這類系統(tǒng)一旦其部分元器件發(fā)生故障，輕則引起系統(tǒng)失靈，重則造成人員傷亡或財產(chǎn)損失。以此為背景，設(shè)計一個安全可靠，能夠在系統(tǒng)執(zhí)行機構(gòu)或傳感機構(gòu)部分發(fā)生故障時仍能使系統(tǒng)穩(wěn)定運行的可重構(gòu)機械臂系統(tǒng)，具有重要的意義。本文針對一類具有傳感器和執(zhí)行器故障的可重構(gòu)機械臂系統(tǒng)，研究內(nèi)容與工作如下：1.給出課題的研究背

6、景意義，對可重構(gòu)機械臂的國內(nèi)外研究現(xiàn)狀及主要研究內(nèi)容進(jìn)行簡要概述。2.利用剛體的動力學(xué)方程幾何公式得到模塊子系統(tǒng)的動力學(xué)模型，在此基礎(chǔ)上，采用機器人構(gòu)形運動學(xué)描述，通過正向迭代（廣義速度與加速度）和反向迭代（廣義力）求出模塊子系統(tǒng)的Newton-Euler方程。并針對子系統(tǒng)動力學(xué)模型的狀態(tài)空間表達(dá)形式，給出傳感器與執(zhí)行器同時發(fā)生故障時的多故障子系統(tǒng)動力學(xué)模型。3.針對軌跡跟蹤問題，設(shè)計一種基于自適應(yīng)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的可重構(gòu)機械臂分散控制，利用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)函數(shù)逼近子系統(tǒng)的非線性項，應(yīng)用自適應(yīng)控制對神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)逼I近誤差與

7、子系統(tǒng)耦合項進(jìn)行補償。當(dāng)可重構(gòu)機械臂系統(tǒng)狀態(tài)可測時，提出一種基于狀態(tài)擴張觀測器的自適應(yīng)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)分散控制方法?；跔顟B(tài)擴張觀測器估計值和Lyapunov穩(wěn)定性理論設(shè)計自適應(yīng)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)分散控制律，最后通過仿真研究驗證了所提出方法的有效性。4.針對可重構(gòu)機械臂各子系統(tǒng)的執(zhí)行器與傳感器故障,提出一種基于線性矩陣不等式(LMI)技術(shù)和H?性能指標(biāo)的龍伯格觀測器和動態(tài)輸出反饋控制器。采用龍伯格觀測器對執(zhí)行器和傳感器的故障進(jìn)行估計，該方法的優(yōu)點在于不需要故障檢測和隔離單元。之后，基于觀測器的觀測值設(shè)計動態(tài)輸出反饋控制器

8、進(jìn)行主動容錯控制。最后，基于Lyapunov理論給出龍伯格觀測器與動態(tài)輸出反饋控制器的穩(wěn)定性證明，并對不同構(gòu)形下的可重構(gòu)機械臂子系統(tǒng)進(jìn)行仿真實驗，驗證了觀測器與控制器的有效性。5.對全文內(nèi)容進(jìn)行了總結(jié)，并結(jié)合本文的研究結(jié)果，對進(jìn)一步的研究進(jìn)行了展望。關(guān)鍵詞：可重構(gòu)機械臂，分散控制，龍伯格觀測器，狀態(tài)擴張觀測器，LMI，主動容錯控制IIAbstractTheprogressofmanipulatortechnologyiscontinuing