多关节机器人的全局快速终端模糊滑模控制_

摘要：针对多关节机械臂轨迹跟踪控制，提出了一种全局快速终端模糊滑模控制方法。该方法根据滑模控制原理，采用模糊控制调节滑模控制的切换增益，并利用积分的方法自动对系统的建模误差和干扰的上界进行评估，实现了对建模误差和干扰的自动跟踪，削弱了抖振。文中利用李亚普诺夫定理证明了系统的稳定性，仿真结果表明了其有效性。
关键词：全局快速终端滑模控制；模糊控制；建模误差；抖振；滑模面
针对含有多种不确定性干扰和摄动的多关节机器人控制，已经出现了很多行之有效的方法[1-3]。滑模变结构控制(Sliding Mode Variable Structure Control，SMVSC)因为具有强的鲁棒性而成为一种有效的控制方法。文献[3]在传统滑模控制的基础上设计了一种全局快速终端滑模(Global FastTerminal Sliding Mode Control，GFTSM)控制器。该控制器通过设计新的滑模超曲面，得到了全局控制，并且可以保证系统从任意初始状态到达滑模面的时间和在滑模上到达平衡点的时间均为有限。但是，由于采用与传统滑模控制相似的设计原理，在GFTSM控制系统中仍然存在抖振，并且该控制方法必须预先知道建模误差和干扰的上界，而这在实际的机器人控制中很难做到。本文在此基础上，将GFSM应用到多关节机器人控制中，并将模糊控制[4-7]和全局快速终端滑模控制相结合，提出了一种全局快速终端模糊滑模控制方法，该方法不需要预先对建模误差和干扰上界评估，实现了对建模误差和干扰的自动跟踪，削弱了抖振，并保证了控制系统的稳定性。
本文的目标就是，为含有多种不确定性干扰和摄动的多关节机器人系统设计一个全局快速终端模糊滑模控制器。该控制器能根据滑模面s和s自动调整K，从而减小控制器的抖振，并保证系统稳定。模糊控制器的设计采用一个关节一个模糊控制器的方法。这样简化了模糊控制器的设计，降低了模糊控制器的维数，使模糊控制器的模糊规则
可以利用经验来设计。
滑模控制器的切换增益K通过对模糊控制器的输出积分得到。模糊控制器能够根据滑模原理实时调整K，使K与被控对象的建模误差和干扰ρ(t)的实时值相匹配，从而使滑模面s趋近于零。这样就避免了全局快速终端滑模控制中，为了充分补偿建模误差和干扰的上界而选择过大的K，也就削弱了控制系统的抖振。因此，整个控制器不再需要预先对被控对象的干扰进行上界估计，增加了控制系统的鲁棒性。全局快速终端模糊滑模控制由于积分的延迟作用，其输出在s=0和s=0附近仍然存在抖振。为了消除抖振，可以将控制器改为全局快速终端模糊准滑模控制。
所谓准滑模控制就是指系统地运动轨迹被限制在理想滑运模态的某一ε邻域内的控制方式。准滑模控制在边界层外采用正常的滑模控制，而在边界层内为连续状态的反馈控制，从而有效地避免或消弱了抖振。但准滑模控制的使用降低了系统的鲁棒性。本文对带有建模误差和干扰的多关节机器人系统，提出了全局快速终端模糊滑模控制的方案。该方案利用积分的方法自动对系统的建模误差和干扰的上界进行评估，实现了对
建模误差和干扰的自动跟踪，削弱了抖振。仿真结果验证了所提出方法的有效性和可行性。但该方法要求控制器硬件具有更大的输出范围，增加了硬件的开销。如何在不增加硬件要求的前提下改善全局快速终端滑模控制的适应性需要今后继续研究。

文章来自：滑模机械网

文章作者：信息一部

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