柔性臂关节位置滑模变结构控制研究
刘广瑞1, 刘又午2
(1.郑州大学机械工程学院 郑州450052; 2.天津大学机械工程学院 天津300072)
摘 要:研究了一种分级式柔性机械臂关节位置滑模变结构控制方案.首先推导了下位机关节位置伺服控制系统的数学模型,然后推导了在上位机上实现的滑模变结构控制率,并进行了实验研究.试验结果表明,该控制方案的弹性变形较少,有利于降低末端位置弹性振动.
关键词:柔性机械臂;关节;滑模变结构控制
中图分类号:TP 242.1; TP 271.9 文章编号:1671-6841(2003)04-0058-05
引言
柔性臂控制研究具有重要意义,空间机械臂、高速机器人、车辆工程、分布参数控制等工程和理论领域都要用到该结果.为此,构造了实验装置进行了多方面的研究.这方面的研究主要有柔性臂动力学和1柔性臂控制两方面.柔性臂控制研究主要围绕用何种方法降低由于高速运动引起的弹性振动这一问题展开,目前有很多人用主动控制的方法研究.主动控制方法是一种系统控制方法,它把机械结构、驱动系统、传感系统等看成一个整体,构成机电光液气等一体化系统,用控制的方法来解决结构振动及稳定性问题,这是一种更全面的解决问题的方法.
我们构造的控制系统,是在双闭环直流调速控制系统的基础上增加一个位置外环构成的,为了进行轨迹规划和数据采集,在位置环上设置了上位机.关节位置控制用称为下位机的单片机系统实现.由于单片机系统的资源(存储器、CPU等)有限,关节位置复杂控制算法、柔性臂末端位置控制算法很难在下位机上实现.因此我们设想让下位机仅起一个保证在足够宽的频率范围内关节位置传递函数1的作用,关节位置复杂控制算法、柔性臂末端位置控制算法则都在上位机上进行.本文在上位机上实现关节位置滑模变结构控制.
1 控制系统总体结构
控制系统总体结构如图1所示.
速度环、电流环及速度检测、电流检测采用北京机床研究所生产的A06B-6045-H005速度伺服单元,该单元为逻辑控制无环流可逆直流调速系统.位置环及位置检测由单片机系统完成,位置指令与位置反馈比较产生位置偏差,位置偏差经过PID调节作为速度指令.此处可以设计各种位置控制算法,但由于单片机的存储容量限制以及汇编语言编程困难,故复杂控制规律的实现较为困难.在上位机上用C,BASIC等高级语言实现复杂控制规律较为灵活且修改方便,故在上位机上实现关节位置的滑模变结构控制.所需关节位置由单片机系统检测,通过通信提取到上位机上.
2 下位机位置控制闭环传递函数
驱动柔性臂直流伺服电机电枢回路的电压平衡方程为
3 滑模变结构控制率推导
传递函数作为控制对象,在上位机上实现闭环控制,相当于在三环伺服系统的基础上,在下位机位置环的外面又加了一个上位机控制环,可称它为一个四环伺服系统.该四环伺服系统不是下位机位置控制的简单重复,它除具有电机轴转角位置控制的功能外,还具有柔性臂转角转速控制、柔性臂并置式和非并置式末端位置控制等功能,并且有望能实现多种控制功能.上位机柔性臂关节位置滑模变结构控制原理如图2所示.
对比滑模控制与PID控制,发现滑模控制时弹性变形较小,说明滑模控制可以减小柔性臂末端的弹性振动.
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