基于獨立光伏發(fā)電系統(tǒng)動力的柔性關(guān)節(jié)機器人若干問題的研究

【摘要】：基于獨立光伏發(fā)電系統(tǒng)動力的柔性關(guān)節(jié)機器人(簡稱“光伏動力柔性關(guān)節(jié)機器人系統(tǒng)”),是結(jié)合了獨立光伏發(fā)電技術(shù)和柔性關(guān)節(jié)機器人技術(shù),由光照提供能源供給,可長期駐守在無人區(qū)自主工作的柔性關(guān)節(jié)機器人系統(tǒng)。獨立光伏發(fā)電技術(shù)的應(yīng)用極大地拓寬了柔性關(guān)節(jié)機器人系統(tǒng)的活動空間和任務(wù)周期,尤其是在一些人類不便前往的極地和外太空等惡劣環(huán)境的科學(xué)探索實驗中,發(fā)揮了重要的作用?？煽康墓夥茉垂┙o是光伏動力柔性關(guān)節(jié)機器人系統(tǒng)在無人值守環(huán)境下長期開展科學(xué)實驗的前提條件,穩(wěn)定的柔性關(guān)節(jié)機器人控制是光伏動力柔性關(guān)節(jié)機器人系統(tǒng)在極限環(huán)境下順利完成工作任務(wù)的根本保證。獨立光伏發(fā)電系統(tǒng)的能源供給性能間接影響到柔性關(guān)節(jié)機器人控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性,關(guān)鍵光伏部件的性能在應(yīng)用前必須經(jīng)過嚴格準(zhǔn)確地測試把關(guān)。同時,準(zhǔn)確提取的柔性關(guān)節(jié)機器人關(guān)節(jié)微弱信號可用于剛度參數(shù)的辨識,對柔性關(guān)節(jié)機器人控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性也至關(guān)的重要。而且,開展柔性關(guān)節(jié)機器人的模糊控制方法研究,對解決由于光伏發(fā)電的非線性特點引起的系統(tǒng)不確定性問題,有著積極的意義。本文針對光伏動力柔性關(guān)節(jié)機器人系統(tǒng)的能源供給檢測方法和柔性關(guān)節(jié)機器人測試控制方法等若干問題進行了深入的研究,主要工作如下：針對光伏動力柔性關(guān)節(jié)機器人系統(tǒng)中光伏發(fā)電部件性能檢測問題,深入分析了光伏電池的工作原理和數(shù)學(xué)模型,提出了一種滿足不同類型光伏電池的電性能測試方法并設(shè)計了測試系統(tǒng),同時提出了一種標(biāo)準(zhǔn)光伏電池室外陽光直射標(biāo)定方法并在西藏地區(qū)開展了實驗研究,還提出了一種基于多路同步修正法的太陽模擬器輻照不均勻度和不穩(wěn)定度測試方法并完成了實驗驗證,為光伏動力柔性關(guān)節(jié)機器人系統(tǒng)能源供給性能模擬測試方法的研究奠定了基礎(chǔ)。針對光伏動力柔性關(guān)節(jié)機器人系統(tǒng)能源供給性能評測問題,提出了一種光伏動力柔性關(guān)節(jié)機器人系統(tǒng)能源供給性能模擬測試方法并開展了一系列序列實驗研究。以可編程直流電子負載模擬工作中柔性關(guān)節(jié)機器人的用電損耗,以可編程直流電源模擬光伏電池的發(fā)電特性,通過模擬不同輻照度條件下的光伏動力柔性關(guān)節(jié)機器人系統(tǒng)能源供給過程,評測了光伏動力柔性關(guān)節(jié)機器人系統(tǒng)的性能,為解決由光伏動力非線性特點引起的系統(tǒng)不確定性問題而開展的柔性關(guān)節(jié)機器人控制方法的研究提供了參考依據(jù)。為解決在極端強噪聲干擾環(huán)境下工作的光伏動力柔性關(guān)節(jié)機器人系統(tǒng)的剛度參數(shù)辨識問題,提出了一種結(jié)合隨機共振法與混沌振子法的柔性關(guān)節(jié)機器人微弱信號提取方法。利用非線性隨機共振法處理采集信號,通過四階龍格-庫塔法求解langevin方程,從強噪聲信號中提取微弱信號,再通過辨識混沌振子參考頻率同頻的微弱信號混沌相軌跡變化,濾除掉奇倍頻中的虛假頻率。在此基礎(chǔ)上辨識出柔性關(guān)節(jié)機器人的剛度參數(shù),為基于參數(shù)辨識的柔性關(guān)節(jié)機器人軌跡跟蹤控制研究打下了基礎(chǔ)。為解決光伏動力的非線性特點引起的柔性關(guān)節(jié)機器人動態(tài)不確定性問題,提出了一種柔性關(guān)節(jié)機器人的不確定模糊魯棒控制方法。根據(jù)平行分布補償原則(PDC)設(shè)計了模糊狀態(tài)反饋控制器,通過模糊Lyapunov函數(shù)分析閉環(huán)控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性條件并完成了仿真實驗驗證。然后,針對柔性關(guān)節(jié)機器人的角度位置變化率測量不準(zhǔn)確問題,提出了一種基于觀測器的柔性關(guān)節(jié)機器人模糊控制方法。建立了柔性關(guān)節(jié)機器人的T-S模糊模型狀態(tài)觀測器并設(shè)計了模糊反饋控制器,通過模糊Lyapunov方程分析閉環(huán)控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性條件,采用線性矩陣不等式(LMI)求解了模糊反饋控制器參數(shù)和觀測器增益參數(shù)并完成了仿真實驗驗證。接著,針對柔性關(guān)節(jié)機器人的軌跡跟蹤控制問題,設(shè)計了基于柔性關(guān)節(jié)機器人參數(shù)辨識的軌跡跟蹤控制器。利用分步法設(shè)計避免了角加速度測量和求導(dǎo)運算,通過兩個模糊系統(tǒng)分別逼近子系統(tǒng)中的非線性不確定項,消除了參數(shù)辨識誤差帶來的影響并完成了仿真實驗驗證。最后針對光伏動力的非線性特點引起的柔性關(guān)節(jié)機器人建模誤差對控制性能的影響以及控制器的脆弱性問題,提出了一種柔性關(guān)節(jié)機器人模糊無源控制方法。建立了柔性關(guān)節(jié)機器人的T-S模糊模型,根據(jù)平行分布補償原則(PDC)設(shè)計了柔性關(guān)節(jié)機器人模糊無源控制器,分析了閉環(huán)控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性并完成了仿真實驗驗證。在此基礎(chǔ)上,進一步提出了一種柔性關(guān)節(jié)機器人模糊無源非脆弱控制方法。在控制器的設(shè)計中考慮了增益加性攝動,根據(jù)無源性條件,利用Lyapunov函數(shù)求取了柔性關(guān)節(jié)機器人控制系統(tǒng)的閉環(huán)穩(wěn)定性條件,采用線性矩陣不等式(LMI)求解了滿足閉環(huán)穩(wěn)定性條件的正定矩陣及控制器增益矩陣并完成了仿真實驗驗證。 【關(guān)鍵詞】：獨立光伏發(fā)電系統(tǒng) 柔性關(guān)節(jié)機器人 標(biāo)準(zhǔn)光伏電池 太陽模擬器 微弱信號 模糊控制
【學(xué)位授予單位】：北京郵電大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2015
【分類號】：TM615;TP242
【目錄】：

• 摘要4-6
• ABSTRACT6-11
• 第一章 緒論11-29
• 1.1 引言11-12
• 1.2 光伏動力機器人系統(tǒng)研究及應(yīng)用現(xiàn)狀12-16
• 1.3 微弱信號提取方法研究及應(yīng)用現(xiàn)狀16-19
• 1.4 柔性關(guān)節(jié)機器人的動力學(xué)建模與控制方法研究現(xiàn)狀19-21
• 1.5 不確定T-S模糊模型控制方法的研究現(xiàn)狀及在機器人系統(tǒng)中的應(yīng)用21-24
• 1.6 當(dāng)前研究存在的問題24-26
• 1.7 本文主要研究內(nèi)容26-29
• 第二章 光伏電池的工作原理和測試方法研究29-55
• 2.1 引言29
• 2.2 光伏電池工作原理和數(shù)學(xué)模型29-36
• 2.2.1 載流子濃度及擴散29-32
• 2.2.2 光電流和光電壓的產(chǎn)生32-34
• 2.2.3 光伏電池光電轉(zhuǎn)化原理及數(shù)學(xué)模型34-36
• 2.3 光伏電池電性能測試方法研究36-42
• 2.3.1 不同材料光伏電池類型36-38
• 2.3.2 不同類型光伏電池電性能測試方法研究38-42
• 2.4 標(biāo)準(zhǔn)光伏電池標(biāo)定方法研究42-47
• 2.4.1 標(biāo)準(zhǔn)光伏電池的量值溯源及標(biāo)定42-44
• 2.4.2 基于陽光直射法的標(biāo)準(zhǔn)光伏電池標(biāo)定44-47
• 2.5 太陽模擬器性能測試方法研究47-53
• 2.5.1 太陽模擬器性能特點及測試47-50
• 2.5.2 基于多路同步修正法的太陽模擬器性能測試50-53
• 2.6 本章小結(jié)53-55
• 第三章 光伏動力柔性關(guān)節(jié)機器人系統(tǒng)能源供給性能模擬測試方法研究55-69
• 3.1 引言55-56
• 3.2 獨立光伏發(fā)電系統(tǒng)的特性分析56-59
• 3.2.1 光伏發(fā)電系統(tǒng)的類型56-57
• 3.2.2 獨立光伏發(fā)電系統(tǒng)的組成57
• 3.2.3 獨立光伏發(fā)電系統(tǒng)儲能蓄電池特性57-59
• 3.3 光伏動力柔性關(guān)節(jié)機器人系統(tǒng)能源供給性能模擬測試方法59-63
• 3.3.1 模擬實驗測試序列分析59-61
• 3.3.2 光伏電池發(fā)電輸出模擬算法61-63
• 3.4 光伏動力柔性關(guān)節(jié)機器人系統(tǒng)能源供給性能模擬實驗63-68
• 3.4.1 光伏電池Ⅳ特性測試64-65
• 3.4.2 系統(tǒng)模擬測試分析65-68
• 3.5 本章小結(jié)68-69
• 第四章 面向剛度參數(shù)辨識的柔性關(guān)節(jié)機器人微弱信號提取方法研究69-80
• 4.1 引言69-70
• 4.2 隨機共振法和混沌振子法的工作原理70-71
• 4.2.1 隨機共振方法70-71
• 4.2.2 混沌振子方法71
• 4.3 柔性關(guān)節(jié)機器人系統(tǒng)中微弱信號的提取及分析71-76
• 4.3.1 柔性關(guān)節(jié)機器人微弱信號的提取72-74
• 4.3.2 微弱信號中虛假頻率的濾除74-75
• 4.3.3 微弱信號頻率分析75-76
• 4.4 柔性關(guān)節(jié)機器人的剛度參數(shù)辨識76-79
• 4.4.1 柔性關(guān)節(jié)機器人系統(tǒng)的振動模型76-78
• 4.4.2 柔性關(guān)節(jié)機器人剛度參數(shù)辨識實驗分析78-79
• 4.5 本章小結(jié)79-80
• 第五章 基于T-S模糊模型的柔性關(guān)節(jié)機器人控制80-100
• 5.1 引言80
• 5.2 柔性關(guān)節(jié)機器人的不確定模糊魯棒控制80-88
• 5.2.1 柔性關(guān)節(jié)機器人的不確定T-S模糊模型81-82
• 5.2.2 柔性關(guān)節(jié)機器人不確定模糊魯棒控制器的設(shè)計82-84
• 5.2.3 柔性關(guān)節(jié)機器人不確定模糊魯棒控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性分析84-85
• 5.2.4 仿真實驗分析85-88
• 5.3 基于觀測器的柔性關(guān)節(jié)機器人模糊控制88-93
• 5.3.1 基于觀測器的柔性關(guān)節(jié)機器人模糊控制器設(shè)計88-89
• 5.3.2 基于觀測器的柔性關(guān)節(jié)機器人模糊控制系統(tǒng)穩(wěn)定性分析89-91
• 5.3.3 仿真實驗分析91-93
• 5.4 基于參數(shù)辨識的柔性關(guān)節(jié)機器人軌跡跟蹤控制器設(shè)計93-99
• 5.4.1 基于參數(shù)辨識的柔性關(guān)節(jié)機器人軌跡跟蹤控制律設(shè)計95-96
• 5.4.2 基于參數(shù)辨識的柔性關(guān)節(jié)機器人軌跡跟蹤控制穩(wěn)定性分析96-97
• 5.4.3 仿真實驗分析97-99
• 5.5 本章小結(jié)99-100
• 第六章 柔性關(guān)節(jié)機器人的模糊無源控制100-111
• 6.1 引言100-101
• 6.2 柔性關(guān)節(jié)機器人的模糊無源控制101-105
• 6.2.1 柔性關(guān)節(jié)機器人的T-S模糊模型101
• 6.2.2 柔性關(guān)節(jié)機器人的模糊無源控制器設(shè)計101-102
• 6.2.3 柔性關(guān)節(jié)機器人的模糊無源控制系統(tǒng)穩(wěn)定性分析102-103
• 6.2.4 仿真實驗分析103-105
• 6.3 柔性關(guān)節(jié)機器人的模糊無源非脆弱控制105-109
• 6.3.1 柔性關(guān)節(jié)機器人的模糊無源非脆弱控制器設(shè)計105-106
• 6.3.2 柔性關(guān)節(jié)機器人的模糊無源非脆弱控制系統(tǒng)穩(wěn)定性分析106-107
• 6.3.3 仿真實驗分析107-109
• 6.4 本章小結(jié)109-111
• 總結(jié)與展望111-113
• 總結(jié)111-112
• 展望112-113
• 參考文獻113-123
• 致謝123-124
• 攻讀博士學(xué)位期間取得的研究成果124

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