9. 多输入物理系统控制
9.1 机器人学概述

动力学方程
H(q)q¨+C(q,q˙)q˙+D(q,q˙)q˙+g(q)=τ(9.1)
-
q是关节角向量,q˙是关节速度向量
-
H(q)是惯性矩阵(inertial matrix)
- 是对称正定的
- 是一致正定的,即∃α>0,∀q,H(q)⩾αI
-
C(q,q˙)q˙是向心力和科里奥利力矩(centripetal and coriolis torques)
- depends on q
- quadratic in q˙
-
D(q,q˙)是粘滞摩擦(viscous friction)
- D(q,q˙)⩾0
-
g(q)是重力矩(gravitational torque)
-
τ是执行器输入的力矩向量
9.1.1 位置控制
假设机械手在水平面上(g(q)=0),并且任务就是把它移动到给定的目标位置,例如由一个期望的关节角的常向量qd所确定的最后位置。
物理上清楚的是,关节的比例一微分控制器,即反馈控制规律将能完成希望未知控制任务,具体地说,基于位置误差q~j=qj−qdj和关节速度q˙j(j=1,2)的局部测量,反馈控制规律独立地选择每个执行器输入
τj=−kPjq~j−kDjq˙j(9.2)
将能完成希望的位置控制任务。实际上,控制规律(9.2)(其中,kPj和kDj是严格的正常数)仅仅是模拟了在每个机械手关节处安装一个耗散机械装置的作用。该装置由一个弹簧和一个阻尼器组成,并且以期望的qdj作为静止位置,所产生的无源物理系统简单地表示了摆向静止位置qdj的阻尼振动。
virtual physic,virtual spring(term P),virtual damper(term D)
下面讨论这种控制器设计为何有效
机械手动能T=21q˙TH(q)q˙,根据能量守恒写成如下形式
21dtd[q˙THq˙]=q˙T(τ−Dq˙−g)(9.3)
式中左边是机械手动能的导数,右边表示执行器的功率输入。
取比(9.2)式稍一般的控制输入,即取
τ=−KPq~−KDq˙(9.4)
其中,KP和KD是定常对称正定矩阵(通常的比例一微分控制器(9.2)对应的KP和KD是对角矩阵)。
考查系统的总机械能V,这里设系统的控制律(9.4)是根据物理弹簧和阻尼器原理得到的,即总机械能是
V=21[q˙THq˙+q~TKPq~](9.5)
为了分析控制系统的闭环性态,我们将使用这个有效的机械能V作为李雅普诺夫函数,根据(9.3),V对时间的导数为
V˙=q˙T(τ−Dq˙)+q˙TKPq~=q˙T(−KPq~−KDq˙−Dq˙)+q˙TKPq~=−q˙T(KD+D)q˙⩽0
可知V˙就是阻尼器所耗散的功率(virtual dissipation)。
现在我们只要检验系统不能“停留”在V=0的任何一点q=qd处
利用不变集定理
V˙=0⇒q˙=0⇒Hq¨=−KPq~ (9.1)⇒q¨=−H−1KPq~=0 unless q~=0⇔q=qd
所以,正如物理推理所得到的,系统收敛于期望的状态。
9.1.2 轨线控制(trajectory tracking)
如果存在外部的重力距g(q),能量守恒可写为(推广的(9.3)式)
q˙T(τ−Dq˙−g)=21dtd[q˙THq˙]=q˙THq¨+21q˙TH˙q˙(9.6)
代入式(9.1)展开Hq¨
q˙T(τ−Dq˙−g)=q˙THq¨+21q˙TH˙q˙=q˙T(τ−Dq˙−g−Cq˙)+21q˙TH˙q˙
观察到等式两侧同时出现了q˙T(τ−Dq˙−g),整理化简可得
q˙T(H˙−2C)q˙=0(9.7)
这个结果表明矩阵H˙−2C是反对称的——这不完全是(9.7)的直接结果,因为矩阵H˙−2C自身与q˙有关。实际上,虽然科里奥利力矩和向心力矩向量Cq˙与关节速度q˙都是惟一性的物理量,但这里没有惟一定义矩阵C。然而,下面将说明,如果C的元素定义为
Cij=21k=1∑n∂qk∂Hijq˙k+21k=1∑n(∂qj∂Hik−∂qi∂Hjk)q˙k(9.8)
那么矩阵H˙−2C确实是反对称的。因此**H˙−2C可看作是能量守恒的矩阵表示**。
“matrix vertion” of energy conservation
定义变量s
s=q~˙+Λq~(9.9)
其中,Λ是对称正定矩阵。
事实上,在这个二阶系统中,我们可以把(9.9)式中的s解释为“速度误差”项
s=q~˙+Λq~=q˙−q˙r(9.10)
其中q˙r=q˙d−Λq~
- 根据位置误差q~改变期望的速度q˙d,以形成"参照速度"向量q˙r,这仅仅是一种符号处理,它将与能量相关的性质(它用实际关节速度向量q˙来表示)转化为轨线控制性质(由实际速度误差向量s表示)。
- 类似于单输入的情况,向量**s包含了q和q˙的有界性和收敛性的信息**。
这是因为s的定义(9.9)也可以看作是关于q~的一个稳定的一阶微分方程(其中s看作是输入)。于是,假设了初始状态是有界时,只要说明了s的有界性就证明了q~和q~˙的有界性,从而证明了q和q˙的有界性;类似地,如果当t→∞时,s→0,那么有q~→0,且q~˙→0。
定义能量函数V
V=21sTHs(9.11)
求导得
V˙=sTHs˙+21sTH˙s=sT(Hq¨−Hq¨r)+21sTH˙s=sT(τ−Hq¨r−Cq˙−Dq˙−g)+21sTH˙s=sT(τ−Hq¨r−Cq˙r−Dq˙−g)+21sT(=0H˙−2C)s 运用(9.10) q˙=s+q˙r=sTY(q,q˙,q˙r,q¨r)a(τ−Hq¨r−Cq˙r−Dq˙−g)(9.12)
其中Y(q,q˙,q˙r,q¨r)为已知函数,a为未知常数
参考
【1】Applied Nonlinear Control,Slotine and Li,Prentice-Hall 1991:Section 9
【2】https://www.bilibili.com/video/BV1Tk4y167kR?p=10&vd_source=b1a52fdb6c7481b4e8c78d03e9a9acb0