【摘要】针对以交流伺服电机驱动的二自由度并联机器人,设计了智能模糊滑模控制算法。该方法先设计动态滑模面,使系统的任意初始状态一开始就在滑模面上,消除了滑模控制的到达运动阶段,使系统在响应的全过程都具有鲁棒性;然后设计一种智能模糊控制器,用模糊控制器的输出取代滑模控制切换项的输出。仿真结果表明,该控制方法不仅增强了全局抗干扰能力,而且有效地消除了系统的抖振现象。
关键词:并联机器人;交流伺服;时变滑模控制;模糊控制;仿真!
同串联机器人相比,并联机器人具有如下特点[1]:(1)刚度大,结构稳定;(2)承载能力强;(3)精度高,没有误差积累和放大;(4)运动惯性小;(5)在位置求解上,串联机器人正解易反解难,并联机器人正解难反解易,便于实时控制。基于以上诸多优点,并联机器人引起国内外学者的热切关注,并在航天、航空、医疗、数控加工、微动控制等邻域有着广泛的应用前景。研究的二自由度并联机器人机构,如图1所示。这种并联机器人因驱动元件少、造价低、结构紧凑而具有较高的实用价值和较好的发展前景。并联机器人作为一个结构复杂、非线性、相互耦合的系统,其控制策略的研究相对比较困难,传统的控制方法很难奏效。而滑模变结构控制能够有效地解决非线性问题,且对参数不确定性和外部扰动具有强鲁棒性,适用于机器人的控制。但是抖振是滑模变结构控制中不容回避的问题。为此,本文从滑模面的设计和切换项的改进这两方面着手。首先设计动态的滑模面,使系统的初始状态一开始就处于滑模面上,消除了滑模控制的到达运动阶段,从而使系统对内部参数变化和外部干扰具有全局鲁棒性。然后,设计一个智能模糊控制器,用模糊控制器的连续输出取代切换项的不连续输出,有效地消除系统的抖振。
二自由度并联机器人控制系统主要由三个并联设置的控制通道组成,每个控制通道由伺服控制器、放大器以及交流伺服电机组成。电机作为最终的执行机构必须要能准确、及时地执行系统给它的命令,所以电机的选择对控制性能有着很大的影响。本文所采用的执行机构为松下公司(Pana-sonic)生产的MS-MA042C1C交流伺服电机。通道具有相似性,因此选择一条支路作为研究对象,支路模型。
在滑模控制器中,控制律通常由等效控制和切换控制组成。等效控制将系统状态保持在滑模面上,切换控制迫使系统状态在滑模面上滑动。将模糊控制与滑模控制相结合具有两方面的意义:(1)对于滑模控制而言,用模糊控制器的输出取代切换项的输出,柔化了控制信号,减轻或避免了一般滑模控制的抖振现象(;2)对于n>2的高阶系统,在常规模糊控制中输入应为[ee…(en-)1],而模糊滑模控制的输入始终是二维的,所以在n>2的特定情况下,模糊滑模控制具有简化模糊控制系统结构复杂性的作用。
针对二自由度并联机构控制系统提出智能模糊滑模控制算法。计算机仿真表明该方法具有理想的控制精度,跟踪性能好,鲁棒性强,能有效地消除抖振现象,可实现并联机构的高精度实时控制。
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