巡檢機(jī)器人關(guān)節(jié)電機(jī)的PID閉環(huán)控制系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型，針對復(fù)雜的作業(yè)環(huán)境以及機(jī)器人自身的一些因素會使模型參數(shù)產(chǎn)生一定攝動，常規(guī)PID控制效果差的問題，提出了基于Kharitonov理論的巡檢機(jī)器人關(guān)節(jié)電機(jī)魯棒PID控制方法，推導(dǎo)出了該控制系統(tǒng)魯棒穩(wěn)定的幾個判定條件，給出了魯棒PID參數(shù)穩(wěn)定域的求取流程，最后基于Kharitonov理論對關(guān)節(jié)電機(jī)控制系統(tǒng)在Matlab中進(jìn)行仿真實驗。
結(jié)果表明，常規(guī)PID僅對標(biāo)稱系統(tǒng)控制效果好，對參數(shù)攝動系統(tǒng)控制效果欠佳，而魯棒PID對參數(shù)攝動系統(tǒng)有較好的控制效果，且基于Kharitonov的魯棒PID較基于H∞ 的魯棒PID控制效果更優(yōu)，滿足了巡檢機(jī)器人關(guān)節(jié)電機(jī)響應(yīng)速度快、跟蹤精度高、穩(wěn)定性好的設(shè)計要求。
巡檢機(jī)器人是一種沿高壓架空輸電線路行駛代替或者輔助人工巡檢的特種電力作業(yè)機(jī)器人，在國民生產(chǎn)和日常生活中占有重要地位，應(yīng)用前景非常廣闊[1]。從控制的角度看，機(jī)器人的有效控制是保證正常巡檢的前提，但是機(jī)器人存在多輸入、多輸出、強(qiáng)耦合、非線性等特征，使得在實際工程應(yīng)用中從宏觀上得到機(jī)器人完整精確模型很困難。
因此本文分解機(jī)器人的控制體系結(jié)構(gòu)，從微觀層面入手，以機(jī)器人的關(guān)節(jié)電機(jī)為研究對象，建立其PID閉環(huán)控制系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型?？紤]到關(guān)節(jié)電機(jī)PID參數(shù)很容易因野外惡劣氣象條件、高空風(fēng)載擾動、高電壓強(qiáng)電磁干擾、以及電機(jī)的電樞反應(yīng)，電機(jī)本身溫度變化時，關(guān)節(jié)主電路的電阻，電感都會變化，這些都會影響電機(jī)標(biāo)稱值的改變。此外電機(jī)長時間的運(yùn)行它與傳動機(jī)構(gòu)在結(jié)合處會的磨擦損耗，電機(jī)所帶負(fù)載發(fā)生變化以及機(jī)器人運(yùn)行在不同工況等，這些都會影響電機(jī)參數(shù)。
以上不確定性因素加大了機(jī)器人控制的難度，影響機(jī)器人機(jī)械臂控制的精度和穩(wěn)定性。在某些極端情況下，可能引起機(jī)械臂與線路上絕緣子、懸垂線夾、防震錘等障礙物發(fā)生碰撞、干涉甚至從高壓線上脫線，造成輸電線和機(jī)器人的損壞和巨大經(jīng)濟(jì)損失。因此，在控制過程中必須根據(jù)系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)實時對機(jī)器人關(guān)節(jié)控制器的PID參數(shù)進(jìn)行在線自適應(yīng)調(diào)整，以確保在不確定性存在的情況下機(jī)器人在作業(yè)過程中依然保持較高的控制精度和較好的穩(wěn)定性。
目前相關(guān)文獻(xiàn)已提出了基于滑模變結(jié)構(gòu)理論[2]、模糊理論[3]、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)[4]、遺傳算法[5]及其相結(jié)合的很多的PID智能控制方法[6]，但這些大都是在忽略不確定性因素和擾動的理想情況下進(jìn)行的。HUANGYJ[7]、彭瑞[8]、徐峰[9]等人提出了基于區(qū)間多項式理論的參數(shù)不確定系統(tǒng)魯棒控制方法，Ho M T[10]提出了基于H∞ 理論的魯棒PID控制方法但被控對象大多數(shù)是針對工業(yè)控制系統(tǒng)而非機(jī)器人的關(guān)節(jié)電機(jī)。
呂永健[11]、恒慶海[12]等針對被控對象的抗干擾能力提出了直流電機(jī)的H∞ 魯棒控制策略，但都只是單獨(dú)的研究電機(jī)的魯棒控制而沒有聯(lián)系到機(jī)器人。王鵬[13-14]等人在建立巡檢機(jī)器人機(jī)械臂各類動作運(yùn)動模型的基礎(chǔ)上提出了基于HJI不等式的架空輸電線巡檢機(jī)器人的魯棒控制，趙浩泉[15]等人提出了基于混合靈敏度的水下機(jī)器人魯棒控制研究，劉開周[16]等人提出了基于結(jié)構(gòu)奇異值的水下機(jī)器人魯棒控制研究，
但這些都只是從宏觀上對機(jī)器人的控制進(jìn)行研究而沒有具體到機(jī)器人各個關(guān)節(jié)的控制。因此，當(dāng)前針對高壓輸電線路巡檢機(jī)器人特別是從微觀層面上分析關(guān)節(jié)電機(jī)魯棒控制這方面的研究很少。1978年原蘇聯(lián)數(shù)學(xué)家卡里托諾夫提出了著名的Kharitonov定理，在處理參數(shù)不確定系統(tǒng)的魯棒控制問題上取得了重大突破，基于此，本文將Kharitonov定理與關(guān)節(jié)電機(jī)的魯棒控制結(jié)合起來，提出一種針對高壓輸電線巡檢機(jī)器人關(guān)節(jié)電機(jī)參數(shù)不確定PID控制系統(tǒng)的魯棒控制策略，其目的是控制機(jī)器人關(guān)節(jié)電機(jī)在存在不確定因素和擾動的情況下，穩(wěn)定工作保持優(yōu)秀的控制品質(zhì)，為機(jī)器人正常巡檢提供有力保障。
圖1 巡檢機(jī)器人控制體系結(jié)構(gòu)
圖2 巡檢機(jī)器人關(guān)節(jié)電機(jī)電路模型
結(jié)論
本文在建立巡檢機(jī)器人關(guān)節(jié)電機(jī)PID控制系統(tǒng)模型的基礎(chǔ)上，利用Kharitonov定理對該模型進(jìn)行了魯棒穩(wěn)定理論分析，利用Matlab仿真實驗驗證了本文理論分析的正確性。
值得進(jìn)一步深入思考的是，本文被控對象分子為常數(shù)簡化了計算量，在實際中可能會遇到理論上最多52個（充分條件4個+必要條件16個+充要條件32個）線性多項式的穩(wěn)定性判斷，計算量巨大，如何尋找簡單易行的方法來處理這些多項式對提高算法的效率具有很大的實際意義。
此外，電機(jī)參數(shù)的攝動范圍如何精確標(biāo)定以及如何在保證機(jī)器人穩(wěn)定運(yùn)行的基礎(chǔ)上，使各關(guān)節(jié)電機(jī)協(xié)調(diào)工作能耗更少，性能更優(yōu)，將是后續(xù)研究的重要內(nèi)容。
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