PJR-X小型喷浆机器人滑模变结构控制系统
王传江,苏学成,樊炳辉,孙秀娟
(山东科技大学信息与电气工程学院,山东青岛 266510)
摘 要:由于PJR-X小型喷浆机器人具有系统参数变化、随机干扰和负载扰动等特点,数学模型难以精确确定,因而采用传统的PID控制方法很难得到良好的控制效果,系统性能得不到保证.为了消除这些因素对机器人系统性能的影响,采用无抖动滑模变结构控制技术对机器人控制系统进行设计.应用Matlab仿真软件对所设计的滑模变结构控制器进行实验仿真,并且还对施加于机器人不同负载的情况进行了仿真.通过对仿真结果的分析比较,可知采用此滑模变结构控制技术所设计的喷浆机器人控制系统能够较好地减轻由于负载变化等干扰因素对系统控制性能的影响,消除了传统变结构控制器所固有的抖振现象,系统性能指标明显提高,具有良好的动态性能和稳定鲁棒性.
关键词:喷浆机器人;滑模控制;变结构控制;鲁棒性;抖动
中图分类号:TP242; TP273 文献标识码: A
滑模变结构控制技术是近年来研究较多的一种非线性综合控制方法,经过多年的发展,已经形成一个相对独立的研究分支,成为自动控制系统的一种设计方法.采用滑动模态控制方式,强迫系统的状态变量沿着人为预先规定好的轨迹滑动到期望的稳定状态,使系统在滑模面上运动时具有很强的鲁棒性,即对被控对象的模型误差、对象参数的变化以及外部干扰有极好的不敏感性,不需要精确的数学模型,因而受到了国内外的普遍重视,在工程实际中获得了广泛的应用.对于机器人系统来说,往往难以得到精确的数学模型,但可以大致估计出各个参数的变化范围,因此,滑模变结构控制理论很适合机器人控制[1~4].本文研究针对矿用小型喷浆机器人的滑模变结构控制器,机器人采用电液比例伺服控制.由于液压系统是一非线性系统,且机器人在喷混凝土支护施工作业过程中负载扰动频繁,系统参数不确定,具有高度的非线性,采用基于线性控制理论的常规PID控制器很难满足控制要求,因此采用滑模变结构控制技术对其进行控制系统设计[1~7].
一般滑模变结构控制系统的运动过程由正常到达运动和滑动模态2个阶段组成,变结构控制的强鲁棒性体现在第2阶段,即滑动模态阶段.到达运动阶段的设计反应趋向切换平面的方式,为了设计较好的到达运动过程,并保证系统具有较好的动态品质,采用基于趋近律的变结构控制方案[1].由于等速趋近律的趋近速度过大会引起系统的抖动,过小则系统动态调节时间较长,因此系统运动的品质难以保证.而指数趋近律虽然可以加快趋近过程,削弱抖动,但是当系统处于滑动模态及稳态时仍具有一定的抖动.综合考虑系统的趋近速度和稳态性能,采用变速趋近律进行设计,使系统能够获得良好的性能指标.
1 机器人大臂数学模型
喷浆机器人大臂俯仰机构阀控液压缸的传递函数[8, 9]为
2 滑模变结构控制器设计
控制器设计的目的是选择合适的切换函数和控制律,使得系统在控制律的作用下,在有限时间内能够到达滑动模态,滑动模态渐近稳定且具有良好的动态品质[1~3].
2.1 切换函数的设计
3 实验仿真
通过Matlab仿真软件对采用变速趋近律设计方法所设计的滑模变结构控制器进行仿真[10],系统的阶跃响应曲线、控制器输出曲线和相轨迹曲线如图2所示.
由于机器人的数学模型并不是精确的,系统的一些参数值会随负载扰动等外界因素的变化而变化,因此,通过对机器人喷枪机构分别施加不同负载的情况进行仿真实验,结果显示系统具有极强的抗负载干扰能力,没有因负载的变化而影响系统的稳定性.
4 结 语
通过对以上仿真结果的分析可知,所设计的控制器具有良好的快速性,并且比采用等速趋近律和指数趋近律等设计方法所设计的控制器具有较好的抗抖动性能,趋近过程具有良好的动态品质和稳定鲁棒性.
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