基于IPMC驱动器的双连杆柔性机械臂PDE建模与主动控制研究

This project resolves the problems of PDE modeling and active control for a Two-link Flexible Manipulator which moves in the horizontal plane. The research contents are summarized as follows:.(1) The characteristic of IPMC is used to identify the actuation model. The model expression of IPMC actuator is obtained..(2) Based on the analysis of system energy, the method of distributed parameter discretization and Hamilton’s principle are applied to obtain the nonlinear PDEs model of the Two-link Flexible Manipulator with IPMC actuator, avoiding the possible problems such as control spillover caused by the lumped parameter modeling method..(3) Considering the adverse influences of external disturbance, we design a nonlinear PDEs disturbance-observer-based active control scheme based on IPMC. The controller can resist disturbance, and suppress the vibration of flexible manipulator simultaneously..(4) As the motor and IPMC have the upper bounds of the control input in the actual engineering, an anti-saturation control method is developed to deal with the issue of control input constraints..(5) A controller for the state output constraint is proposed based on IPMC actuator, making the elastic displacement maintain in a suitable and selectable range..At last, simulations and experiments are used to verify the proposed algorithms..The project researches active vibration control for a two-link flexible manipulator based on IPMC actuator, solving the vibration problem of infinite dimensional distributed parameter system, which plays an important theoretical and practical significance.

本项目针对一类沿水平方向转动的双连杆柔性机械臂的偏微分方程建模与主动控制问题进行下列研究：.(1)根据IPMC的特性，对驱动器模型进行辨识，得到模型表达式。.(2)采用分布参数建模方法，从系统能量角度出发，由Hamilton原理推导基于IPMC的非线性双连杆柔性机械臂偏微分方程动力学模型；.(3)考虑系统受外界扰动的问题，利用IPMC设计基于非线性PDE干扰观测器的主动控制算法来抵抗干扰，同时抑制柔性机械臂的振动；.(4)针对电机与IPMC执行器在实际中具有控制输入饱和上界，即控制输入受限问题，设计相应的抗饱和控制算法；.(5)利用IPMC设计系统状态输出受限控制算法，使得双连杆柔性机械臂末端的挠性偏移量限制在合理的可调范围内。.最后通过仿真和实验来验证上述算法的合理性。.本项目利用IPMC对一类双连杆柔性机械臂进行主动控制，解决无穷维分布参数系统的弹性振动问题，具有重要的理论和实际意义。

柔性机械臂是一类无限维分布参数系统，有高度的非线性和耦合特性，其运动过程既有大范围整体运动，又有局部的弹性变形，所以传统的刚性机械臂控制方法不能直接应用于柔性机械臂系统。本项目选用分布参数方法进行建模，避免了传统集中参数建模方法造成的观测器和控制器溢出等问题，对复杂的分布参数系统控制研究具有重要的推动意义。本项目主要研究内容包括： 考虑IPMC的电动特性，通过动力学模型辨识方法得到了IPMC驱动模型的具体表达式；利用分布参数建模方法，结合IPMC驱动模型，由Hamilton原理建立了柔性系统的偏微分方程动力学模型；设计了一种非线性干扰观测器，补偿和抵消了柔性机械臂所受干扰的影响；提出了抗饱和控制算法，解决了因执行器长期处于过载饱和状态所带来的安全隐患，同时实现了沿水平面转动的柔性机械臂期望轨迹跟踪以及柔性臂杆上的弹性振动抑制；设计了输出受限控制算法，将柔性机械臂末端的弹性偏移量限制在合理的可调范围内，实现系统状态输出受限。所设计的主动控制方法在自行搭建的悬臂梁实验系统和双连杆柔性机械臂系统上进行了验证，结果表明了算法的有效性。本项目的研究结果不仅可以实现柔性机械臂的振动抑制，更为分布参数系统的高精度控制提供了重要的理论基础和技术支撑。