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题名	SMA驱动系统未建模动态估计与补偿控制方法研究
作者	李晓光1,2
答辩日期	2020-06-29
授予单位	中国科学院沈阳自动化研究所
授予地点	沈阳
导师	刘光军 ; 赵新刚
关键词	形状记忆合金 迟滞非线性 未建模动态估计 扰动补偿 控制
学位名称	博士
其他题名	Research on Unmodeled Dynamics Estimation and Compensation Control Method of SMA Actuator System
学位专业	机械电子工程
英文摘要	手的缺失使得上肢残肢者的生活质量受到极大的影响，也给家庭带来了极大的负担。目前世界上先进的商用假肢手重量过大、价格高昂、具有较大的噪声，导致上肢残肢者放弃佩戴假肢手臂。一项关于假肢满意度的调查报告显示残肢者满意的假肢应佩戴舒适、结构紧凑、重量轻、无噪声、且具备执行日常操作能力。针对这项调查，解决上述问题的根本方法是采用智能材料驱动器代替传统电机。形状记忆合金(shape memory alloy, SMA)具有功率重量比大、驱动电压低、驱动电路简单、干净和无噪声的优点，成为假肢智能材料驱动器的首选。然而SMA的参数摄动、非线性迟滞，以及马氏体体积含量和温度难以测量的特性使得系统难以精确建模，从而导致系统的精确控制难以实现，限制了假肢的发展。据此，本论文以解决SMA驱动系统精确力/位置控制问题为主线，以SMA驱动机构为研究对象，开展了深入的理论分析和实验研究，为后续工作的深入开展与研究打下坚固的基础。鉴于上述目的，本论文根据SMA相变机理对SMA驱动机构建立了力/位置机理模型，实时估计了系统未建模动态，针对机理模型和未建模动态信息设计了力/位置控制器。考虑到拟人手指系统可分解为二阶系统和一阶系统串联形式，设计了力-位置双环未建模动态估计与补偿控制器，并在SMA驱动的仿人灵巧手上进行了实验验证。本论文的具体内容安排如下：第1章，综述了SMA的发现、发展过程和应用范畴，论述了现存的SMA建模方法、位置控制方法、力控制方法以及上述方法存在的局限性，从而确定了本论文的研究内容及意义。第2章，根据SMA的热力学模型、相变模型、本构关系模型和力学模型建立了SMA驱动系统的三阶非线性迟滞模型。在该模型基础上，设计了扩张状态观测器，估计了系统总扰动信息，提高了系统模型精度。第3章，针对SMA的三阶迟滞非线性模型探讨了不同扰动处理方式的位置控制策略，设计了基于扰动补偿的输出反馈自适应控制器。该控制器由名义控制器和补偿控制器两部分组成，名义控制器处理系统名义模型信息，补偿控制器抑制系统总扰动。Lyapunov函数验证了扩张状态的收敛性和闭环系统的稳定性。实验验证了所提控制方法能够适应负载、驱动频率变化导致的系统动态特性改变，同时具有较强的鲁棒性。第4章，构建了SMA驱动手指的一阶非线性迟滞模型，设计了SMA输出力的未建模动态估计与补偿控制器。在SMA本构关系模型、相变模型和热力学模型基础上，构建了一阶非线性迟滞模型。通过深入分析应力与应变、马氏体体积含量、温度变化率关系，该一阶模型分解为一阶惯性环节和非线性迟滞环节。将非线性迟滞环节、未建模动态、外扰动集总为系统输出力的总扰动，从而提出了SMA输出力自抗扰控制方案。Lyapunov函数验证了闭环系统的稳定性。该方法简单，调参方便，大量实验表明所提算法能够适应系统动态特性的改变，验证了该方法的有效性。第5章，综合分析了仿人灵巧手系统，该系统可分解为二阶系统和一阶系统串联形式，提出了力-位置双环未建模动态估计与补偿控制方案。该方案以位置反馈作为外环，输出力反馈作为内环。同时受到第3章和第4章控制思想的启发，将力/位置控制环路分别采用扰动补偿策略，最大限度的增强了系统扰动抑制的能力。该方案获取了系统更多的信息，加快了系统响应速度，提高了系统位置跟踪精度。第6章，开发、设计了SMA驱动拟人灵巧手系统。该系统结构紧凑、功率密度比大、重量轻，能够实现不同种类物品的抓取。将力-位置双环控制方法应用在仿人灵巧手系统，手指末端能够到达有效位置，进一步证明了该方法的有效性，为进一步智能交互控制奠定了基础。
语种	中文
产权排序	1
页码	136页
内容类型	学位论文
源URL	[http://ir.sia.cn/handle/173321/27167]
专题	沈阳自动化研究所_机器人学研究室
作者单位	1.中国科学院大学 2.中国科学院沈阳自动化研究所;
推荐引用方式 GB/T 7714	李晓光. SMA驱动系统未建模动态估计与补偿控制方法研究[D]. 沈阳. 中国科学院沈阳自动化研究所. 2020.

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