news 2026/10/8 16:04:00

8.3 机器人自适应控制

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张小明

前端开发工程师

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8.3 机器人自适应控制

8.3 自适应控制

在机器人控制领域,系统动力学模型的不确定性是普遍存在且无法完全规避的根本挑战。这种不确定性主要来源于两个方面:一是参数不确定性,如负载质量与惯量的变化、关节摩擦系数的时变特性;二是未建模动力学,如传动机构的柔性、高频动态特性及分布参数效应。传统的固定参数控制器(如PID、计算力矩控制)在面对此类不确定性时,其性能往往会出现显著退化,甚至导致失稳。自适应控制为解决这一问题提供了一种系统的理论框架。其核心思想在于:通过在线实时地调整控制器参数或结构,使其能够自动地适应被控对象动力学特性的变化,从而在不具备精确先验模型的情况下,仍能保持预期的闭环系统性能。

8.3.1 自适应控制的基本原理与架构

自适应控制系统在结构上比固定参数反馈系统增加了一个额外的“适应”回路。该回路利用系统的输入输出数据,在线辨识过程动态或直接评估性能指标,并根据一套预设的适应律,动态地调整主控制器的参数。根据系统不确定性的描述方式和参数调整机制的不同,机器人领域主要采用两种经典的自适应控制策略:模型参考自适应控制和自校正控制(参数自适应控制)。

8.3.1.1 模型参考自适应控制
MRAC的基本架构如图1所示。其核心思想是定义一个性能优异的参考模型,该模型表征了闭环系统期望的动态响应。控制目标是设计一个带有可调参数的控制器,使得实际被控机器人的输出y(t)y(t)y(t)(如关节位置)能够渐近地跟踪参考模型的输出ym(t)y_m(t)ym​(t),尽管存在模型不确定性。

图1所示的MRAC系统中,自适应律根据跟踪误差e(t)e(t)e(t)及其它可用信号,在线更新控制器参数θ(t)\theta(t)θ(t)。设计自适应律的关键是保证整个闭环系统的稳定性和参数收敛性,Lyapunov稳定性理论和超稳定性理论是常用的设计工具。对于机器人系统,一种典型的设计是基于误差动力学的李雅普诺夫函数,推导出能使V˙≤0\dot{V} \leq 0V˙≤0的参数更新律,从而保证跟踪误差渐近收敛。

8.3.1.2 自校正控制
STC采取另一种思路,它将自适应控制问题分解为两个交替进行的在线步骤:

  1. 参数估计(辨识):利用实时采集的输入输出数据,在线递归地估计机器人系统的未知参数θ^(t)\hat{\theta}(t)θ^(t)。
  2. 控制器设计:将当前时刻的参数估计值θ^(t)\hat{\theta}(t)θ^(t)视为真实参数,基于某种控制设计方法(如极点配置、最小方差控制、线性二次型调节等)重新计算控制器参数。

STC可视为一个“隐式”的自适应控制,因为其直接调整的是系统模型参数的估计值,而非控制器参数本身,但效果等价。其算法结构是一个“估计-控制”的持续循环,常用的参数估计算法包括递推最小二乘法和递推极大似然法。

8.3.2 机器人动力学参数自适应控制

机器人刚体动力学方程关于其惯性参数和部分摩擦参数是线性的,即τ=Y(q,q˙,q¨)π\tau = Y(q, \dot{q}, \ddot{q}) \piτ=Y(q,q˙​,q¨​)π,这一性质使得基于Lyapunov理论设计直接的自适应控制律变得非常自然和有效。

8.3.2.1 自适应计算力矩控制
考虑机器人动力学:
M(q)q¨+C(q,q˙)q˙+G(q)=τ M(q)\ddot{q} + C(q, \dot{q})\dot{q} + G(q) = \tauM(q)q¨​+C(q,q˙​)q˙​+G(q)=τ
假设M,C,GM, C, GM,C,G的参数未知,但其线性参数化形式已知。设计控制律为:
τ=M^(q)a+C^(q,q˙)q˙+G^(q) \tau = \hat{M}(q) a + \hat{C}(q, \dot{q})\dot{q} + \hat{G}(q)τ=

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