کنترل موقعیت و نیروی سیستم های رباتیک مبتنی بر تخمین سرعت مفاصل، نامعینی های پارامتری و جریان موتورها

STUDENT

DEGREE

YEAR

This dissertation deals with the problem of position/force controller design for robotic systems based on estimation of joint velocities; motor currents; and parametric uncertainties. To eliminate the need for link velocity measurements two approaches are proposed: a) Filtering techniques; b) Observer techniques. Furthermore, a novel observer is designed to estimate the armature currents. To deal with the parametric uncertainties, a novel adaptive strategy is proposed to estimate the robot uncertain parameters. Existing adaptive methods are generally based on the certainty equivalence (CE) principle. The procedure for designing the CE-based adaptive controller consists of two steps: First, designing the deterministic controller assuming there is no uncertainty in system parameters—it is called the certainty equivalence principle; second, substituting the actual parameters for their estimated values in the control law. In fact, the fundamental concept of the CE-based adaptive control systems is to exactly cancel the uncertain parameters. However, the exact cancellation of uncertain parameters never occurs in real applications. Thus, the overall performance of the regulating/tracking control depends on the performance of the parameter estimator. The performance of the parameter estimator is poor, since the parameter estimate generally exhibit wide variations compared to their true values. In this dissertation, we propose a novel output feedback adaptive method where the unknown parameters converge to the attractive manifold. This enables the controlled system to asymptotically recover the transient performance of deterministic control and the performance of the system in parameter estimation. The proposed adaptive method is not based on the certainty equivalent principle. In the proposed NCEA (non-certainty equivalent adaptive) method, the detrimental effect of the uncertain parameters is compensated pursuing a robustness perspective. The proposed control method requires the sole measurements of joint positions. To deal with the constrained applications of robots, the proposed adaptive strategy is extended to position and force control of robotic systems. As well, the proposed adaptive strategy is extended to control the electrically driven robotic systems without joint velocity and armature current measurements. The proposed control method guarantees semiglobal asymptotic motion tracking and velocity estimation, as well as and ounded parameter estimation error. Furthermore; it is shown that the system is finite gain table exposed to external disturbance. The effectiveness of the proposed controller is verified mathematically and numerically. Keywords: Adaptive control, Asymptotic stability, Filter design, Lyapunov theorem, Nonlinear systems, Observer design, Robotic systems, Stability analysis.

یکی از زمینه های چالش برانگیز در زمینه کنترل سیستم های رباتیک، طراحی کنترل کننده در حالتی است که تمامی متغیرهای حالت سیستم قابل اندازه گیری نیستند و تنها تعدادی از این متغیرها در خروجی سیستم مشاهده می شوند. مسأله طراحی مشاهده گر در صورت نیاز به دانستن اطلاعات داخلی سیستم با اندازه گیری خروجی سیستم مطرح می گردد. به طور کلی به دلائل اقتصادی و محدودیت های فن آوری امکان استفاده از تعداد بسیار زیاد سنسورها جهت اندازه گیری سیگنال های مورد نیاز وجود ندارد، به ویژه اینکه اندازه این سیگنال ها ممکن است بسیار زیاد شود و همچنین سیگنال ها ممکن است از انواع مختلفی باشند: سیگنال های توصیف کننده سیستم که با زمان تغییر می کنند (همچون متغیرهای حالت سیستم)، سیگنال های ثابت (همچون پارامترهای سیستم) و سیگنال های اندازه گیری نشده خارجی (همچون اغتشاشات) مواجهه با نامعینی ها یکی دیگر از مسائل چالش برانگیز در زمینه کنترل سیستم های رباتیک به شمار می آید. یکی از روش های متداول جهت مقابله و شناسایی نامعینی های ساختاری سیستم، روش کنترل وفقی است. چالش دیگری که در زمینه کنترل سیستم های رباتیک وجود دارد و نوعاً در مطالعات نادیده گرفته می شود، دینامیک محرک های ربات و تأثیر آن بر دینامیک کل سیستم است. در نظر گرفتن دینامیک محرک ها موجب افزایش مرتبه سیستم، پیچیدگی در کنترل سیستم و اندازه گیری متغیرهای حالت سیستم می شود. در تحقیق پیشرو کنترل کننده موقعیت و نیرو برای سیستم های رباتیک مبتنی بر تخمین نامعینی های پارامتری، سرعت مفاصل و جریان موتورها طراحی شده است. فعالیت های انجام شده در تحقیق حاضر در 4 سرفصل زیر دسته بندی شده است: 1- در قسمت اول از تحقیق روشی جدید در کنترل وفقی سیستم های رباتیک مبتنی بر مشاهده سرعت مفاصل ارائه می شود. نشان خواهیم داد که استفاده از این روش باعث مقاوم تر شدن سیستم در مواجهه با اغتشاشات و دینامیک های مدل نشده می شود. همچنین روش ارائه شده موجب بهبود کارآیی سیستم از لحاظ تعقیب متغیرهای مطلوب و تخمین متغیرهای اندازه گیری نشده می شود. 2- در قسمت دوم از تحقیق روشی جدید در کنترل وفقی موقعیت و نیروی سیستم های رباتیک مبتنی بر مشاهده سرعت مفاصل و بدون پارامتریزه کردن اضافی ارائه می شود. استفاده از این روش باعث مقاوم تر شدن سیستم در مواجهه با اغتشاشات می شود. همچنین روش ارائه شده موجب افزایش کارآیی سیستم در تعقیب مسیر مطلوب، تعقیب نیروهای مطلوب و تخمین متغیرهای اندازه گیری نشده سیستم می شود. در قیاس با تحقیقات پیشین، روش ارائه شده نیازمند به تخمین تعداد بسیار کمتری از پارامترهای نامعین است. 3- در قسمت سوم از تحقیق کنترل کننده وفقی مبتنی بر مشاهده سرعت مفاصل و جریان موتورها برای سیستم های رباتیکی با محرک های الکتریکی طراحی شده است. در این بخش سه تخمین گر جدید جهت تخمین سرعت مفاصل، جریان موتور ها و پارامترهای نامعین ربات طراحی می شوند. سپس کنترل کننده ولتاژ با پسخورد از موقعیت اجزاء ربات و تخمین سرعت مفاصل، جریان موتورها و پارامترهای نامعین طراحی می شود. 4- در قسمت چهارم از تحقیق به مسأله کنترل گروهی از سیستم های غیرخطی لیپشیتز مبتنی بر استفاده از مشاهده گر کاهش یافته پرداخته شده است. روش ارائه شده امکان طراحی کنترل کننده برای سیستم های رباتیک مبتنی بر پسخورد از موقعیت مفاصل و بدون نیاز به سعی و خطا را فراهم می سازد. روش ارائه شده قابل استفاده برای سیستم های رباتیک آزاد و مقید است. کلمات کلیدی: کنترل وفقی، سیستم های رباتیک، کنترل موقعیت و نیرو، مشاهده گر سرعت، مشاهده گر جریان، فیلتر تخمین سرعت، سیستم های غیرخطی، تحلیل پایداری، قضیه لیاپونوف.