可重构机械臂分散自适应模糊滑模控制
朱明超,李元春
(吉林大学通信工程学院,长春130022)
摘 要:为了适应软件模块化的设计观念,提出一种可重构机械臂的分散自适应模糊滑模控制方案,把可重构机械臂的动力学描述为一个交联子系统的集合。使用模糊逻辑系统逼近子系统动力学模型,然后设计自适应滑模控制器抵消交联项和模糊逼近误差对轨迹跟踪性能的影响。这些子系统控制器组成一个模块化的控制网络,协调工作实现可重构机械臂稳定可靠的运动。最后,仿真结果证明了提出的分散控制方案的有效性。
关键词:自动控制技术;可重构机械臂;分散控制;模糊控制;滑模控制
中图分类号:TP24 文献标识码:A 文章编号:1671-5497(2009)01-0170-07
可重构机械臂系统由一组具有标准接口的可互换的关节模块和连杆模块组成。这些模块能够快速装配成适应不同工作环境的几何构形[1],并具有工作范围广、成本低、易维护、易修改、便携等优势[2]。一些科研机构已经建立了几个可重构机械臂系统进行若干理论问题的研究。这些理论问题包括运动学和动力学的自动建模、软件和控制结构、运动学校准、构形优化、容错等问题。但是对于系统执行工作至关重要的控制器设计问题的研究却并不多见。一些文献给出了几种可重构机械臂的控制方案。文献[3]设计了一种基于递阶结构的模糊神经网络控制器,递阶结构的顶层应用学习控制补偿因机械臂重构而产生的系统动力学变化,底层PID控制器参数的更新由顶层的功能模块决定。文献[4]提出了一种基于操纵杆的交互运动控制,这种方法主要聚焦在Cartesian空间的运动控制,有速度控制和增量偏移控制两种模式,利用操纵杆的微小运动控制机器人末端执行器的运动。文献[5]应用刚体动力学方程几何公式建立了可重构机械臂的动力学方程,并针对建模过程中产生的模型不确定性设计了基于计算力矩的模糊神经网络控制器。文献[6]设计了一种由PID控制器和鲁棒控制单元组成的独立关节控制器,简化了机械臂重构后的控制器参数调整工作。最近,分散控制在机械臂中的应用越来越引起人们的重视[7-8]。与集中控制相比,分散控制不仅结构简单和更具柔性,而且更适合于软件模块化的思想,容易设计模块化的控制器,实现并行计算。
作者提出一种可重构机械臂的分散自适应模糊滑模控制方案。把可重构机械臂的控制系统考虑成一个分散计算网络,关节模块考虑成网络中的计算节点。每个节点利用自身的信息通过模糊系统逼近子系统动力学模型,然后设计自适应滑模控制器去抵消交联项和模糊逼近误差对轨迹跟踪性能的影响。这种控制方案不需要根据机械臂构形的变化改变子系统控制器参数,可方便地应用于不同的机械臂构形,实现可重构机械臂控制系统的模块化设计。
1 Takagi-Sugeno模糊系统
模糊逻辑系统由模糊规则基、模糊推理、模糊化算子和解模糊化算子组成。对于一阶Takagi-Sugeno模糊系统,一个典型的模糊规则基由若干个模糊IF-THEN模糊语句组成,即
可重构机械臂分散自适应模糊滑模控制
朱明超,李元春
(吉林大学通信工程学院,长春130022)
摘 要:为了适应软件模块化的设计观念,提出一种可重构机械臂的分散自适应模糊滑模控制方案,把可重构机械臂的动力学描述为一个交联子系统的集合。使用模糊逻辑系统逼近子系统动力学模型,然后设计自适应滑模控制器抵消交联项和模糊逼近误差对轨迹跟踪性能的影响。这些子系统控制器组成一个模块化的控制网络,协调工作实现可重构机械臂稳定可靠的运动。最后,仿真结果证明了提出的分散控制方案的有效性。
关键词:自动控制技术;可重构机械臂;分散控制;模糊控制;滑模控制
中图分类号:TP24 文献标识码:A 文章编号:1671-5497(2009)01-0170-07
可重构机械臂系统由一组具有标准接口的可互换的关节模块和连杆模块组成。这些模块能够快速装配成适应不同工作环境的几何构形[1],并具有工作范围广、成本低、易维护、易修改、便携等优势[2]。一些科研机构已经建立了几个可重构机械臂系统进行若干理论问题的研究。这些理论问题包括运动学和动力学的自动建模、软件和控制结构、运动学校准、构形优化、容错等问题。但是对于系统执行工作至关重要的控制器设计问题的研究却并不多见。一些文献给出了几种可重构机械臂的控制方案。文献[3]设计了一种基于递阶结构的模糊神经网络控制器,递阶结构的顶层应用学习控制补偿因机械臂重构而产生的系统动力学变化,底层PID控制器参数的更新由顶层的功能模块决定。文献[4]提出了一种基于操纵杆的交互运动控制,这种方法主要聚焦在Cartesian空间的运动控制,有速度控制和增量偏移控制两种模式,利用操纵杆的微小运动控制机器人末端执行器的运动。文献[5]应用刚体动力学方程几何公式建立了可重构机械臂的动力学方程,并针对建模过程中产生的模型不确定性设计了基于计算力矩的模糊神经网络控制器。文献[6]设计了一种由PID控制器和鲁棒控制单元组成的独立关节控制器,简化了机械臂重构后的控制器参数调整工作。最近,分散控制在机械臂中的应用越来越引起人们的重视[7-8]。与集中控制相比,分散控制不仅结构简单和更具柔性,而且更适合于软件模块化的思想,容易设计模块化的控制器,实现并行计算。
作者提出一种可重构机械臂的分散自适应模糊滑模控制方案。把可重构机械臂的控制系统考虑成一个分散计算网络,关节模块考虑成网络中的计算节点。每个节点利用自身的信息通过模糊系统逼近子系统动力学模型,然后设计自适应滑模控制器去抵消交联项和模糊逼近误差对轨迹跟踪性能的影响。这种控制方案不需要根据机械臂构形的变化改变子系统控制器参数,可方便地应用于不同的机械臂构形,实现可重构机械臂控制系统的模块化设计。
1 Takagi-Sugeno模糊系统
模糊逻辑系统由模糊规则基、模糊推理、模糊化算子和解模糊化算子组成。对于一阶Takagi-Sugeno模糊系统,一个典型的模糊规则基由若干个模糊IF-THEN模糊语句组成,即
5 结束语
提出一种可用于不同机械臂构形的分散控制方案。设计的分散控制器由模糊控制器和滑模控制器组成。这种控制器不需要机械臂的动力学模型,可以方便地应用于不同的机械臂构形。控制器中自适应参数的更新基于Lyapunov稳定性理论设计,可以保证整个系统的稳定性和轨迹跟踪性能。最后,使用两个不同构形的二自由度可重构机械臂验证了提出的分散控制方案的可行性。
5 结束语
提出一种可用于不同机械臂构形的分散控制方案。设计的分散控制器由模糊控制器和滑模控制器组成。这种控制器不需要机械臂的动力学模型,可以方便地应用于不同的机械臂构形。控制器中自适应参数的更新基于Lyapunov稳定性理论设计,可以保证整个系统的稳定性和轨迹跟踪性能。最后,使用两个不同构形的二自由度可重构机械臂验证了提出的分散控制方案的可行性。
|
