柔性機(jī)械手非奇異終端滑?？刂品椒ǖ难芯?pdf

1、隨著航天技術(shù)和機(jī)器人技術(shù)的發(fā)展，相對于傳統(tǒng)的剛性機(jī)械手，柔性機(jī)械手以其高負(fù)載/自重比、低能耗、高速等優(yōu)點(diǎn)，應(yīng)用前景廣闊。然而，由于結(jié)構(gòu)柔性的存在、本身的非線性特性、模型參數(shù)不確定性、外部干擾等影響，柔性機(jī)械手成為一類復(fù)雜的非線性不確定系統(tǒng)，對其控制策略的研究不僅具有重要的理論價值，還具有較高的實(shí)際應(yīng)用價值。
　　非奇異終端滑模是近來出現(xiàn)的一種新的滑?？刂品椒?，它兼有傳統(tǒng)線性滑模和終端滑模的優(yōu)點(diǎn)，如強(qiáng)魯棒性、有限時間收斂特性、高穩(wěn)態(tài)

2、精度等，同時還通過有目的地改變切換函數(shù)的形式，直接從滑模設(shè)計(jì)方面解決了現(xiàn)有終端滑?？刂拼嬖诘钠娈愋詥栴}，保證了控制系統(tǒng)的全局穩(wěn)定性。然而，抖振問題是制約其實(shí)際應(yīng)用的最大障礙。為此，本文從理論和柔性機(jī)械手的控制應(yīng)用兩方面，圍繞非奇異終端滑?？刂破鞯脑O(shè)計(jì)及抖振的消除問題進(jìn)行了深入研究。
　　首先通過理論分析和仿真實(shí)驗(yàn)，將非奇異終端滑模與線性滑模和終端滑模進(jìn)行對比，直觀清晰地闡述了非奇異終端滑模的特性。然后，為解決抖振問題，提出了一種無

3、抖振的二階非奇異終端滑?？刂品椒?，并將其應(yīng)用于一類系統(tǒng)矩陣和輸入矩陣皆存在不確定性的多變量不確定系統(tǒng)。詳細(xì)探討了如何從一個一般多變量系統(tǒng)經(jīng)過非奇異狀態(tài)變換和去耦合處理，變成一個由輸入輸出子系統(tǒng)和零動態(tài)子系統(tǒng)組成的解耦塊能控標(biāo)準(zhǔn)型系統(tǒng)。之后，引入輔助系統(tǒng)，消除輸入矩陣不確定項(xiàng)的影響，應(yīng)用所提二階非奇異終端滑?？刂品椒?，保證輸入輸出子系統(tǒng)有限時間內(nèi)跟蹤上輔助系統(tǒng)，同時輔助系統(tǒng)有限時間內(nèi)收斂到零，間接實(shí)現(xiàn)了輸入輸出子系統(tǒng)的有限時間收斂。最后，

4、通過極點(diǎn)配置，使得零動態(tài)子系統(tǒng)的狀態(tài)按遞階順序漸近收斂到零，從而保證了整個系統(tǒng)的狀態(tài)收斂。
　　以雙臂柔性機(jī)械手為例，深入研究了其定點(diǎn)調(diào)節(jié)和軌跡跟蹤控制問題。為解決柔性機(jī)械手非最小相位控制問題，實(shí)現(xiàn)末端定點(diǎn)調(diào)節(jié)，基于輸出重定義方法，提出了一種基于遺傳算法的非奇異終端滑模優(yōu)化控制策略。設(shè)計(jì)思想為：首先將關(guān)節(jié)電機(jī)轉(zhuǎn)角和柔性模態(tài)的線性組合定義為系統(tǒng)輸出，通過輸入輸出線性化，將系統(tǒng)分解為輸入輸出子系統(tǒng)和內(nèi)部子系統(tǒng)，使得系統(tǒng)在平衡點(diǎn)附近轉(zhuǎn)變

5、為易于控制的最小相位系統(tǒng)。針對輸入輸出子系統(tǒng)，設(shè)計(jì)非奇異終端滑?？刂破鳎瓜到y(tǒng)有限時間內(nèi)收斂到零，將內(nèi)部子系統(tǒng)變?yōu)榱銊討B(tài)子系統(tǒng)。利用作圖法證明了重定義輸出組合系數(shù)在保證零動態(tài)子系統(tǒng)穩(wěn)定情況下的存在性和不唯一性，分析了不同輸出組合系數(shù)對柔性機(jī)械手控制性能的影響，在此基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)遺傳算法優(yōu)化組合輸出系數(shù)，使得零動態(tài)子系統(tǒng)漸近收斂到零，最終實(shí)現(xiàn)柔性機(jī)械手末端位移的漸近收斂。此外，考慮到柔性機(jī)械手模型參數(shù)的不確定性，在給出系統(tǒng)不確定性描述基礎(chǔ)上

6、，推導(dǎo)了模型分解過程中原系統(tǒng)不確定性引入到分解后各子系統(tǒng)中的表達(dá)式，并根據(jù)Lyapunov穩(wěn)定性理論算得由于系統(tǒng)參數(shù)不確定性引起的末端輸出位移的誤差范圍。針對抖振問題，根據(jù)高階滑模的去抖振原理，結(jié)合線性滑模和所提二階非奇異終端滑模，對重定義后的輸入輸出子系統(tǒng)提出了一種三階非奇異終端滑?？刂品椒?，可保證輸入輸出子系統(tǒng)漸近收斂到零，同時對控制信號進(jìn)行一次低通濾波作用，削弱了抖振對柔性機(jī)械手末端控制系統(tǒng)的影響，獲得了明顯的控制效果。
　

7、　為實(shí)現(xiàn)柔性機(jī)械手的軌跡跟蹤控制，同時削弱抖振現(xiàn)象，提出了一種基于模糊非奇異終端滑模的復(fù)合控制策略。設(shè)計(jì)思想為：首先利用奇異攝動方法和柔性機(jī)械手的雙時間尺度特性，分別以關(guān)節(jié)電機(jī)轉(zhuǎn)角和柔性模態(tài)偏差為變量，將雙臂柔性機(jī)械手系統(tǒng)分解為慢變和快變兩個子系統(tǒng)，以簡化控制器設(shè)計(jì)。然后，針對慢變子系統(tǒng)，結(jié)合模糊控制和非奇異終端滑?？刂品椒?，設(shè)計(jì)了復(fù)合控制器，其中非奇異終端滑?？刂破饔靡员ＷC慢變子系統(tǒng)的全局穩(wěn)定性，提高系統(tǒng)的跟蹤速度和精度，而模糊控制器