基于MPC-PD分层控制的机械臂高精度轨迹跟踪方法

苏竹阳; 陈锋; 柳清

淮北师范大学学报（自然科学版） ›› 2026, Vol. 47 ›› Issue (3) : 55 -61.

苏竹阳, 陈锋, 柳清

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摘要

针对多关节机械臂在给定轨迹下高精度实时跟踪控制问题，提出融合模型预测控制（MPC）与比例-微分控制（PD）协同优化控制方法。该方法通过分层架构整合2种控制策略优势，上层MPC基于机械臂动力学模型，通过滚动时域优化求解满足轨迹跟踪精度和系统约束的最优控制序列以实现对长期轨迹偏差的全局优化，下层PD控制器根据上层MPC实时指令，快速生成关节力矩补偿，利用比例项减小跟踪误差、微分项抑制动态超调，以提升系统对高频扰动的实时响应能力。通过模型预测优化与即时误差补偿的协同，有效解决机械臂轨迹跟踪中“动态响应速度”与“约束满足能力”矛盾。仿真结果表明，该方法在三轴机械臂轨迹跟踪任务中较传统PD控制、MPC-PD并联控制，轨迹跟踪均方误差显著降低，且满足关节力矩约束条件。研究为高速、高精度机械臂轨迹跟踪控制提供解决方案。