机械手终端滑模控制方法的研究

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1、摘要摘要机械手被广泛地应用于许多领域，如工业生产、外太空维护作业等，在现代化生活中占有越来越重要的地位。机械手控制系统的研究对于改善机械手的性能、实现机械手的高精度控制具有重要意义。滑模变结构控制以其鲁棒性好、实现简单等优点在机械手控制领域得到广泛应用。终端滑模控制是近来出现的一种新的滑模控制策略，与传统的线性滑模控制相比，它除了具有强鲁棒性以外，还具有有限时间收敛特性，可以令控制系统在有限时间内收敛到期望轨迹，并具有更高的稳态精度。本文探讨机械手系统的终端滑模控制，包括刚性机械手系统和柔性机械手系统。对于刚性机械手系统，

2、本文分别提出了快速终端滑模控制和全局非奇异终端滑模控制两种控制方法。快速终端滑模将线性滑模和终端滑模结合，克服了现有终端滑模控制远离平衡点时收敛速度慢的缺点。本文应用快速终端滑模，提出了刚性机械手的快速终端滑模控制策略，可以保证系统跟踪误差有限时间收敛，并采用优化方法推导了系统的跟踪精度和用于削弱抖振的饱和函数宽度之间的数学关系，可根据参数的不确定范围设计鲁棒控制器。滑模控制设计中必须用到系统不确定性的上界，当此上界未知时，本文在上述快速终端滑模控制基础上进行了改进，采用自适应机制在线估计系统不确定性的上界，可保证系统跟踪

3、误差收敛，并推导了系统跟踪精度和用于削弱抖振的饱和函数宽度之间的数学关系.传统的终端滑模控制存在奇异性问题，全局非奇异终端滑模避免了现有终端滑模的奇异性问题。本文应用非奇异终端滑模，设计了用于刚性机械手的全局非奇异终端滑模控制器，保证系统跟踪误差有限时间收敛，并推导了系统跟踪精度和用于削弱抖振的饱和函数宽度之间的数学关系。与传统的刚性机械手相比，柔性机械手具有许多优点，如高载重自重比、低能耗、高速，以及适用于直接驱动运行模式等。这些优点使得柔性机械手极具吸引力，有广阔的潜在应用市场。柔性机械手系统从转矩输入到机械臂端点位移

4、输出的传递函数为非最小相位，难以设计控制器。本文应用重新定义输出方法，设计了一种用于双臂柔性机械手系统的终端滑模控制器。首先，重新定义系统输出，使得柔性机械手系统在平衡点附近转变为易于控制的最小相位系统。根据重新定义的输出推导出输入输出子系统，设计终端滑模控制器，使得输入输出子系统有限时间收敛到零。本文采用作图的方法分析了零动态子系统特征值和输出定义参数之间的关系，将之用于控制器设计中，可以使得零动态哈尔滨工业大学工学博士学位论文子系统快速渐近稳定于平衡点，从而保证整个双臂柔性机械手系统的稳定。上述终端滑模控制器设计基于全

5、部系统状态己知的基础上，但在实际应用中，柔性模态的导数变量难以测量。本文在经典的Walcot-Zak观测器基础上，提出了一种鲁棒滑模观测器，该鲁棒滑模观测器的设计不需要满足Walcot-Zak观测器所必须满足的严格条件，设计参数的选取不需求解大量方程，简化了设计过程。本文将所提出的鲁棒滑模观测器应用于双臂柔性机械手系统中，对柔性模态导数进行观测，并在此基础上提出了基于观测器的终端滑模控制策略。本论文分别对刚性机械手和柔性机械手系统，设计了具有有限时间收敛特性的终端滑模控制器，实现了机械手的高速、高精度控制，并用计算机仿真验

6、证了本文所提出方法的有效性。关键词机械手;鲁棒控制;有限时间控制;终端滑模控制AbstractRoboticmanipulatorsareplayingincreasinglyimportantrolesmmanyfields,suchasindustrialmanufacturing,outerspacemaintenancework,andsoonTheinvestigationofmanipulatorcontrolsystemsisimportanttoimprovetheperformanceandtheprec

7、isionofmanipulators.Slidingmodecontrolisapopularcontrolmethodinthemanipulatorcontrolfieldforitsstrongrobustnessandsimplicity.Inslidingmodecontrolsystem,systemstatesaredriventoreachandthenconstrainedwithinneighborhoodsofswitchingmanifolds,whichareparticularspecifie

8、d.Whenintheslidingmotion,thedynamicbehaviorofthesystemisdeterminedbyswitchingmanifolds.Inthisway,theclosed-loopresponsebecomestotallyinsensitivetobothin