漂浮基空间机械臂姿态与末端爪手协调运动的模糊变结构滑模控制
梁捷,陈力
(福州大学机械工程及自动化学院,福建福州 350108)
摘要:讨论了载体姿态受控、位置不受控制情况下,漂浮基空间机械臂载体姿态与末端爪手协调运动的控制问题.结合系统动量守恒关系,分析、建立了空间机械臂系统运动的Jacobi关系及完全能控形式的系统动力学方程.在此基础上,应用变结构滑模控制理论设计了空间机械臂载体姿态与末端爪手惯性空间轨迹协调运动的变结构滑模控制方案;为了克服上述变结构滑模控制器抖振的缺点,附加设计了一个模糊控制器,以根据系统的控制输出来动态调节变结构滑模控制器等速趋近率的系数,从而达到既保证系统具有快速响应又能消除原有控制器具有抖振缺点的目的.系统数值仿真运算,证明了上述控制方案的有效性.
关键词:漂浮基空间机械臂;协调运动;模糊变结构滑模控制
中图分类号:TP241 文献标识码:A
随着航天技术的飞速发展,空间机械臂在太空活动中的作用将越来越重要,也因此引起各国研究人员的广泛关注[1-6].考虑到空间环境下液体控制燃料极其宝贵,使用载体位置、姿态均不受控制的空间机械臂就非常重要.但在某些特殊情况下,如为了保持无线电通讯联络或太阳能帆板持续工作等,就需要使用载体姿态受控的空间机械臂系统.此外,由于对载体姿态的控制可由太阳能帆板提供电能的反应轮来实现,不必消耗宝贵的液体控制燃料,所以研究载体位置不受控制情况下空间机械臂载体与末端爪手协调运动的控制问题有重要的实际意义.本研究结合系统动量守恒关系对空间机械臂系统的运动学、动力学进行分析,建立了空间机械臂载体姿态与末端爪手惯性空间轨迹协调运动的广义Jacobi关系及完全能控形式的系统动力学方程.以此为基础,根据变结构滑模控制理论给出了空间机械臂载体姿态与末端爪手协调运动的滑模控制方案;为了既减小滑模控制器的抖振又保证系统响应的快速性,又附加设计了一个模糊控制器,以便根据系统的输出来动态调节系统变结构等速趋近率的系数.一个单臂二杆空间机械臂系统的数值仿真计算,表明了文中所提出模糊变结构滑模控制方案的有效性.
1 系统动力学
根据变结构滑模控制理论, (12)式的控制输入规律将使漂浮基空间机械臂的载体姿态及机械臂末端爪手在惯性空间的运动稳定地趋近于期望的运动规律.
(12)式的滑模变结构控制器具有适用范围广、控制器结构简单,以及对系统的摄动和外干扰具有一定意义下的鲁棒性等诸多优点,因此得到广泛的工程应用.然而它的一个突出缺点:抖振,却是应用中必须克服的障碍.由文献[7]可知, (11)式的等速趋近率的作用是使系统从初始状态出发在有限的时间间隔内到达滑动面,并最终保证系统误差稳定地收敛到零.其中的系数ε与实现滑动模运动的时间以及抖振的程度大小有很大的关系,ε越大系统进入滑动模的时间就会越快,但同时系统的抖振也会越大.对于如何抑制滑模控制器的抖振,由于国内外学者已做了很多相关的探索研究,这里不一一评述.
其次,设计一个模糊推理规则进行模糊推理.此处,根据经验采用表5所示的模糊推理规则[10].最后,对输出变量进行清晰化处理;所谓清晰化,又称去模糊或反模糊.我们采用Mamdani算法[8]进行模糊推理运算,所得到的结果是一个模糊集或者是它的一个隶属函数.由于其不能直接作为控制量,因而还必须做一次转换,即将模糊量转换为清晰的数字量.由文献[8]可知,采用面积重心法(centroid)进行解模糊运算可得到令人满意的效果.因此,对所有的子模糊控制器均采用面积重心法进行输出去模糊清晰化.
由于模糊控制器是通过模糊推理得到不同的模糊输出隶属度函数,从而令控制系统根据追踪误差来动态调节趋近率中εi的值,因此可以得到比较好的控制器质量.在实际应用中,上述过程可以采用先离线计算,然后再在线查找的方式来进行,因此并未明显增加实时在线计算量.
4 系统数值仿真
计算仿真结果表明,所设计的模糊变结构滑模控制器可以保证系统在较大的初始偏差情况下,很好地跟踪空间机械臂载体姿态与末端爪手期望的运动轨迹,并具有良好的控制质量.
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