滑模模糊控制算法在液压机器人控制中的应用
付永领王岩逄 波
北京航空航天大学,北京,100083
摘要:Pb-211液压机器人腰部是一个非线性液压伺服控制系统,常规PID控制算法很难在不出现超调情况下满足控制系统快速性的要求。针对这种情况以及液压系统参数时变等特点,在常规滑模控制算法的基础上,引入模糊控制技术,采用滑模模糊控制策略进行控制器设计。仿真结果表明,滑模模糊控制算法能够在不出现超调情况下显著提高系统的响应速度,满足系统响应速度和控制精度的要求,而且对正弦干扰具有较强的鲁棒性。
关键词:机器人;模糊控制;滑模控制;非线性;液压
中图分类号:TP273 文章编号:1004—132X(2007)10—1168—03
引言
Pb-211机器人是保加利亚生产的喷漆液压机器人,其6个关节全部为转动关节。控制机器人腰部转角的变化是通过控制非对称液压缸活塞的伸长与缩短来驱动摇臂来实现的。通过对机器人腰部建模可以看出,液压缸活塞行程和腰部转角呈非线性关系,而且难以用一个简单的数学式表达。
由于变结构控制具有响应快、对参数变化及扰动不敏感、无需系统在线辨识等优点而得到人们的青睐。Chen等[1]将滑模控制应用于二级倒立摆;Zhou等[2]将自适应变结构控制应用于导弹控制器设计;Ficola等[3]将滑模控制方法应用于两关节机器人控制。变结构控制算法的缺点是,当状态轨迹到达滑模面后,很难严格地沿着滑模面向平衡点滑动,而是在滑模面两侧来回穿越,从而产生抖动现象[4]。
由于液压系统参数不精确和时变等特点以及变结构控制的颤振,本文将滑模模糊控制算法引入机器人控制。使用模糊控制可以充分利用专家知识克服液压系统参数时变和建模不精确的问题,同时滑模模糊控制可以柔化控制信号,减轻或者避免一般滑模控制的抖动现象。
1 Pb-211液压机器人的腰部建模
图1示出了机器人腰部的工作原理,下面将
据此建立机器人腰部数学模型。
3 基于滑模模糊控制算法机器人控制器设计
为了实现系统快速响应,而且不出现超调现象,选用滑模模糊控制算法进行控制器设计。取式(9)的系数c =220,即系统滑模函数为
由图2和图4对比可以看出,滑模模糊控制算法在非线性系统控制方面较常规PID控制算法具有明显的优势。
4 系统的鲁棒性校验
由于机器人腰部的负载变化比较频繁,因此要求控制器具有较强的鲁棒性。在机器人末端加幅值为10N•m,频率为1Hz的正弦力矩干扰信号,系统响应如图5所示。
由图5可以看出,在机器人末端受到10 N•m的正弦干扰时系统仍然能够正常工作,系统具有较强鲁棒性。
5 结论
本文分析了液压机器人腰部工作原理,建立了阀控非对称液压缸机器人腰部系统数学模型。常规PID控制算法很难实现机器人腰部在不出现超调情况下提高系统响应速度,针对这种情况,本文将滑模模糊控制算法引入机器人控制系统,通过仿真可以看出,滑模模糊控制较常规PID控制具有明显优势,而且使用滑模模糊控制算法设计出来的控制器具有较强的鲁棒性。
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