طراحي كنترل كننده و تخمين گر معادله ريكاتي وابسته به حالت براي بازوهاي مكانيكي با مفاصل انعطاف پذير در حضور نويز و اغتشاش

The SDRE controller and estimator design for flexible joint manipulators in presence of noise and disturbance

در طراحي كنترل، اطلاعات كامل بازخورد اغلب ضروري است. در بازوهاي مكانيكي با مفاصل انعطاف پذير، اندازه گيري تغييرات زواياي بازوها ميسر است ولي اندازه گيري تغييرات عملگرها به سادگي قابل اندازه گيري نيست. از طرفي اندازه گيري متغيرهاي حالت همواره داراي نويز سيگنالي است و فضاي كاري بازوهاي مكانيكي مخلوطي از اغتشاشات هست. بنابراين وجود يك رويت گر و تخمين گر غيرخطي مطلوب، جهت بهبود عملكرد سيستم ديناميكي موردنظر، امري ضروري است. روش معادله ريكاتي وابسته به حالت يكي از بهترين روش هاي كنترل بهينه غيرخطي مي باشد. سيستماتيك بودن اين روش، فرمول بندي و انجام محاسبات را ساده كرده و كنترل طيف وسيعي از سيستم هاي ديناميك غيرخطي )به شرط پايدار پذير بودن( را در بر مي گيرد كه از مزاياي اين روش محسوب مي شود. در اكثر روش هاي كنترل غيرخطي از تكنيك هاي خطي سازي مدل استفاده مي شود اما در اين روش فضاي حالت مستقيم به صورت غيرخطي مورد استفاده قرار مي گيرد كه يكي از علل دقت و انعطاف پذيري در طراحي نسبت به ساير روش ها مي باشد. هدف اين مقاله، طراحي كنترل كننده و تخمين گر مبتني بر روش معادله ريكاتي وابسته به حالت است كه باوجود اغتشاشات، نويز سيستم هاي اندازه گيري و محدوديت هاي سيستم (عملگر و حس گرها)، تا حد امكان متغيرهاي خروجي سيستم به مقدار طراحي (مطلوب) نزديك شده و رفتار سيستم به رفتار حقيقي ربات نزديك تر مي شود. در اين پژوهش ابتدا فرمولاسيون كنترل كننده و رويت گر بيان گرديده است، سپس اين روند براي بازوي سه درجه آزادي با مفاصل انعطاف پذير طراحي و شبيه سازي شده است. در ادامه فرايند طراحي به صورت تجربي براي ربات آزمايشگاهي اسكات پياده سازي شده و نتايج صحه گذاري به دست آمده است.

Full feedback data is mostly essential in control design. Measurement of the variation of flexible joint robot (FJR) actuators is not as easy as the measurement of the changes of FJR links’ angles. The measurement of the states is also affected by noise, and the disturbance in the workspace of the robot is not ignorable. Hence a state observer or a nonlinear estimator is necessary to improve the performance of the dynamical system. The state-dependent Riccati equation (SDRE) is one of the most promising nonlinear optimal control methods and estimators. Systematic procedure, simple structure, and incorporating a wide range of systems (under observability condition) are some advantages of SDRE method. The majority of nonlinear techniques linearize the model, but the SDRE directly uses the nonlinear state space; it is one of the reasons for its precision and flexibility in design with respect to other methods. The goal of this work is to merge the SDRE controller and estimator simultaneously to reduce the state error of the system in presence of external disturbance and measurement noise. So, first, the controller and the observer formulation haves been stated. Then, the procedure has been applied to design and simulate a 3 DOF robot arm with flexible joints. Next, the process has been tested experimentally using Scout robot and the simulation results have been verified. Finally, the proposed method of this paper has been compared with the optimal sliding mode controller. The results showed that the behavior of the system is more similar to the real behavior of the robot.