机器人前馈补偿滑模鲁棒控制
段锁林 王明智 贾志勇 林廷圻
(太原重型机械学院,太原030027) (西安交通大学,西安710049)
摘 要 本文针对机器人轨迹跟踪控制问题,基于滑模变结构控制的基本理论,提出了一种具有前馈补偿的滑模变结构鲁棒控制器。通过引入顺馈控制(对滑模切换函数的PI控制)来改善滑动模态的动特性,并消弱或消除常规变结构控制所存在的“颤振”现象:应用前馈补偿来提高跟踪精度。仿真结果验证了该方法的有效性。
关键词 机器人操作手;前馈补偿;滑模变结构控制;鲁棒跟踪控制
中图分类号 TG174.451
机器人系统是高度复杂、高度耦合的非线性系统,就其轨迹跟踪控制问题而言,设计一种具有鲁棒性强和良好跟踪性能的控制器,仍然是人们十分关注的问题,应用变结构控制(VSC)来实现机器人的鲁棒控制已取得了许多成果[1][2],但如何改善滑动模态的动特性并保持VSC对受控制对象参数变化和扰动的不敏感性也还是一个极富挑战性的课题[2]。为了消弱或消除常规VSC所存在的“颤振”现象,人们提出了连续化控制方法,文献[3]提出了单位向量平滑控制:文献[4]提出了“饱和函数+边界层”的平滑控制方法,但这种方法需要在边界层厚度和跟踪精度之间折中,本文针对具有不确定性的机器人系统,应用常规结构控制并辅之一前馈补偿来提高系统的跟踪精度;基于常规PID控制的思想,引入顺馈控制(对滑模函数的PI调节)来改善滑动模态的动特性,消弱或者消除VSC所存在的“颤振”现象。
把这种连续滑模控制方法应用于两关节机器人的轨迹跟踪控制,通过仿真表明:本文所提出的控制方法能克服系统的不确定性影响,保持了VSC鲁棒性强的特点,并具有良好的跟踪特性。
1 机器人动力学模型
n个关节机器人动力学模型可描述如下:
仿真结果见图2~图5。图2和图3分别是关节1和关节2跟踪期望的关节轨迹的误差曲线;图4和图5分别是两关节的滑模曲线,这些结果表明:对存在不确定性的机器人系统的轨迹跟踪控制问题,本文设计的具有前馈补偿的滑模控制器具有良好的跟踪特性,引入对滑模切换函数的PI调节能较好地抑制常规变结构控制所存在的“颤振”现象,从而改善了滑模动特性。
4 结论
本文基于VSC的基本理论,针对存在不确定性的机器人系统的轨迹跟踪控制问题,提出了一种具有前馈补偿的滑模PI控制器,仿真结果表明:在常规变结构中,应用适当的前馈补偿能达到消除跟踪误差,提高跟踪精度的目的,而引入对滑模函数的PI调节(顺馈控制)能较好地改善滑模动特性,抑制“颤振”现象,并保证了系统对不确定性的鲁棒性。
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