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工学硕士学位论文

不确定性漂浮基空间机械臂
鲁棒控制方法研究

硕士研究生:张水参
导师:马云辉副教授
副导师:付宜利教授
申请学位:工学硕士
学科:机械电子工程
所在单位:机电工程学院
答辩日期:2009 年 6 月
授予学位单位:哈尔滨工业大学
Classified Index:
: 621

Dissertation for the Master Degree in Engineering

RESEARCH ON ROBUST CONTROL METHOD
FOR FLOAT-VEHICLE SPACE MANIPULATORS
WITH UNCERTAINTIES

Candidate: Zhang Shuishen
:
Supervisor Associate Prof. Ma Yunhui
Assistant Supervisor: Prof. Fu Yili
Academic Degree Applied for: Master of Engineering
Speciality: Mechatronics Engineering
Affiliation: School of Mechatronics Engineering
Date of Defence: June, 2009
Degree-Conferring-Institution: Harbin Institute of Technology
摘要
摘要
随着人类空间活动的不断发展,在未来的空间活动中,将有大量的空间生产、
空间加工、空间装配、空间维修等工作进行。这些工作不可能完全由宇航员完成,
因为宇航员到太空成本高、风险大。因此必须充分利用空间机器人。而漂浮基空
间机械臂由于采用自由漂浮工作模式,可节省燃料,延长使用寿命、降低成本。
因此,国内外许多学者对此种空间机械臂的运动学、动力学、控制等方面进行了
广泛的研究。
空间机械臂在环境恶劣的太空中工作,会受到许多不确定性因素影响。讨论
具有不确定性的漂浮基空间机械臂的动力学、控制等问题具有理论与实际意义,
同时也比较复杂。因此,本文主要针对受自身参数不确定和外部干扰影响的不确
定性漂浮基空间机械臂系统,对其动力学与控制方面进行研究。
本文首先基于扩展机械臂模型,采用 Lagrange 方程法,考虑时变参数、外部
干扰等不确定性因素,建立任务空间中漂浮基空间机械臂的动力学模型,分析了
载体受到的干扰对机械臂产生的影响。并对漂浮基空间机械臂的运动特性(非完
整性和姿态干扰特性)进行仿真研究。
其次,针对存在时变参数(滑变参数和跳变参数)和外部干扰的不确定性漂
浮基空间机械臂系统,采用经艾格尼西箕舌线修改的σ−修改法对自适应控制器
进行鲁棒性修改,分析修改后的自适应鲁棒控制器对时变参数(滑变参数和跳变
参数)和外部干扰的鲁棒性。
最后,针对不确定性漂浮基空间机械臂系统,假设时变参数的变化范围、外
部干扰的界已知,设计变结构鲁棒控制器,对其进行边界层修改以消除颤振现象。
然后,针对时变参数的变化范围、外部干扰界未知的情况,结合自适应控制和变
结构鲁棒控制方法设计自适应变结构控制器,同时对其进行了稳定性和鲁棒性分
析。
另外,本文利用 Matlab 的 GUI 工具设计了仿真界面,该仿真界面集成了漂
浮基空间机械臂的运动特性仿真、自适应鲁棒控制仿真和变结构鲁棒控制仿真。
对所提的控制算法进行仿真研究,并对仿真结果进行对比分析,验证所提方法的
有效性。

关键词:漂浮基空间机械臂;不确定性;自适应鲁棒控制;变结构控制
- I -
Abstract
Abstract
With the development of people’s space activities, more and more works such as
manufacture, machining, assemblage, maintenance in space will be developed in the
future. These works can’t pleted only by astronauts because of high