巡檢機器人關節(jié)電機的PID閉環(huán)控制系統(tǒng)的數(shù)學模型，針對復雜的作業(yè)環(huán)境以及機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理論的巡檢機器人關節(jié)電機魯棒PID控制方法，推導出了該控制系統(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理論對關節(jié)電機控制系統(tǒng)在Matlab中進行仿真實驗。
結果表明，常規(guī)PID僅對標稱系統(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)，滿足了巡檢機器人關節(jié)電機響應速度快、跟蹤精度高、穩(wěn)定性好的設計要求。
巡檢機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)機器人，在國民生產(chǎn)和日常生活中占有重要地位，應用前景非常廣闊[1]。從控制的角度看，機器人的有效控制是保證正常巡檢的前提，但是機器人存在多輸入、多輸出、強耦合、非線性等特征，使得在實際工程應用中從宏觀上得到機器人完整精確模型很困難。
因此本文分解機器人的控制體系結構，從微觀層面入手，以機器人的關節(jié)電機為研究對象，建立其PID閉環(huán)控制系統(tǒng)數(shù)學模型?？紤]到關節(jié)電機PID參數(shù)很容易因野外惡劣氣象條件、高空風載擾動、高電壓強電磁干擾、以及電機的電樞反應，電機本身溫度變化時，關節(jié)主電路的電阻，電感都會變化，這些都會影響電機標稱值的改變。此外電機長時間的運行它與傳動機構在結合處會的磨擦損耗，電機所帶負載發(fā)生變化以及機器人運行在不同工況等，這些都會影響電機參數(shù)。
以上不確定性因素加大了機器人控制的難度，影響機器人機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，造成輸電線和機器人的損壞和巨大經(jīng)濟損失。因此，在控制過程中必須根據(jù)系統(tǒng)的運行狀態(tài)實時對機器人關節(jié)控制器的PID參數(shù)進行在線自適應調(diào)整，以確保在不確定性存在的情況下機器人在作業(yè)過程中依然保持較高的控制精度和較好的穩(wěn)定性。
目前相關文獻已提出了基于滑模變結構理論[2]、模糊理論[3]、神經(jīng)網(wǎng)絡[4]、遺傳算法[5]及其相結合的很多的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)而非機器人的關節(jié)電機。
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的H∞ 魯棒控制策略，但都只是單獨的研究電機的魯棒控制而沒有聯(lián)系到機器人。王鵬[13-14]等人在建立巡檢機器人機械臂各類動作運動模型的基礎上提出了基于HJI不等式的架空輸電線巡檢機器人的魯棒控制，趙浩泉[15]等人提出了基于混合靈敏度的水下機器人魯棒控制研究，劉開周[16]等人提出了基于結構奇異值的水下機器人魯棒控制研究，
但這些都只是從宏觀上對機器人的控制進行研究而沒有具體到機器人各個關節(jié)的控制。因此，當前針對高壓輸電線路巡檢機器人特別是從微觀層面上分析關節(jié)電機魯棒控制這方面的研究很少。1978年原蘇聯(lián)數(shù)學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定理與關節(jié)電機的魯棒控制結合起來，提出一種針對高壓輸電線巡檢機器人關節(jié)電機參數(shù)不確定PID控制系統(tǒng)的魯棒控制策略，其目的是控制機器人關節(jié)電機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)，為機器人正常巡檢提供有力保障。
圖1 巡檢機器人控制體系結構
圖2 巡檢機器人關節(jié)電機電路模型
結論
本文在建立巡檢機器人關節(jié)電機PID控制系統(tǒng)模型的基礎上，利用Kharitonov定理對該模型進行了魯棒穩(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，電機參數(shù)的攝動范圍如何精確標定以及如何在保證機器人穩(wěn)定運行的基礎上，使各關節(jié)電機協(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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