基于改進(jìn)滑?？刂频恼駝踊犴槞C(jī)械臂的魯棒控制研究共3篇

基于改進(jìn)滑?？刂频恼駝踊犴槞C(jī)械臂的魯棒控制研究共3篇基于改進(jìn)滑模控制的振動基柔順機(jī)械臂的魯棒控制研究1摘要：

本文提出一種改進(jìn)滑?？刂疲↖SM）策略應(yīng)用于振動基柔順機(jī)械臂的魯棒控制，并通過仿真實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了該策略的有效性和性能優(yōu)勢。該算法結(jié)合了補(bǔ)償器和反步控制，可以在不同程度的干擾和不確定性條件下實(shí)現(xiàn)機(jī)械臂的精確和穩(wěn)定控制。

關(guān)鍵詞：柔順機(jī)械臂，改進(jìn)滑?？刂疲敯艨刂?，補(bǔ)償器，反步控制

1.介紹

柔順機(jī)械臂，又稱輕質(zhì)機(jī)械臂，具有高剛度、低質(zhì)量和良好靈活性等特點(diǎn)。然而，由于其柔性和復(fù)雜的動力學(xué)模型，控制其運(yùn)動變得更加困難。因此，為了實(shí)現(xiàn)柔順機(jī)械臂的高精度和高魯棒性控制，需要采用高級的控制策略。近年來，改進(jìn)滑?？刂埔殉蔀橐环N受歡迎的控制策略。

滑?？刂疲⊿MC）已經(jīng)廣泛應(yīng)用于工業(yè)和機(jī)器人控制領(lǐng)域中，以其不受系統(tǒng)參數(shù)變化和干擾的影響，能夠?qū)崿F(xiàn)系統(tǒng)穩(wěn)定性和追蹤性能。然而，滑模控制存在多個(gè)領(lǐng)域亟待解決的問題，例如chattering現(xiàn)象，復(fù)雜的參數(shù)調(diào)節(jié)方法等。為了克服這些問題，改進(jìn)滑?？刂票惶岢觥８倪M(jìn)滑?？刂瓶煞譃榛陔A段式滑模的改進(jìn)滑?？刂疲↖SM）和基于連續(xù)滑模的改進(jìn)滑?？刂疲–SM）兩種。ISM的策略是將滑模面分段，并在其中應(yīng)用不同的滑模控制器，從而可以避免chattering現(xiàn)象。此外，ISM也可以加入反步控制、模糊控制或神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)來提高控制性能。

2.改進(jìn)滑模控制在柔順機(jī)械臂中的應(yīng)用

在柔性機(jī)械臂中，改進(jìn)滑模控制可以通過引入補(bǔ)償器和反步控制來提高控制性能和穩(wěn)定性。補(bǔ)償器的引入可以補(bǔ)償機(jī)械臂中的不確定性和外部干擾，從而提高控制系統(tǒng)的魯棒性；反步控制則通過將系統(tǒng)動態(tài)方程轉(zhuǎn)化為狀態(tài)空間形式，使得系統(tǒng)能夠具有更好的追蹤性能和控制魯棒性。

本文針對柔順機(jī)械臂的魯棒控制問題，提出一種ISM策略并加入補(bǔ)償器和反步控制。該策略將滑模面分段，從而避免了chattering現(xiàn)象。補(bǔ)償器和反步控制則可以優(yōu)化控制器的無干擾性和系統(tǒng)的魯棒性。詳細(xì)的算法流程如下：

首先，我們通過前饋和反饋控制來設(shè)計(jì)第一部分的滑模面S1。其中，前饋控制部分使用機(jī)械臂模型來估計(jì)機(jī)械臂的期望位置、速度和加速度，反饋控制部分則利用實(shí)際的位置、速度和加速度來修正誤差。然后，我們設(shè)計(jì)第二部分的滑模面S2，該滑模面的目的是為了對不確定性和干擾進(jìn)行補(bǔ)償。最后，通過反饋控制來實(shí)現(xiàn)滑模面S1和S2的組合控制。

3.仿真實(shí)驗(yàn)

模擬環(huán)境為Matlab/Simulink平臺，仿真模型采用由兩個(gè)彎曲桿組成的兩個(gè)自由度的柔順機(jī)械臂。該機(jī)械臂由三個(gè)步進(jìn)電機(jī)控制，其中一個(gè)驅(qū)動臂的旋轉(zhuǎn)和彎曲運(yùn)動，另一個(gè)驅(qū)動塊和桿的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動。電機(jī)輸入信號通過電機(jī)驅(qū)動器轉(zhuǎn)換為機(jī)械臂的運(yùn)動軌跡。仿真實(shí)驗(yàn)中的控制器由ISM和PID組成。實(shí)驗(yàn)過程中，加入不同程度的干擾和參數(shù)攝動，通過分析并比較控制器的追蹤誤差和系統(tǒng)的穩(wěn)定性，驗(yàn)證了ISM策略在柔順機(jī)械臂控制中的有效性和魯棒性。

4.結(jié)論

本文提出了一種改進(jìn)滑模控制策略，并應(yīng)用于柔順機(jī)械臂的魯棒控制。改進(jìn)滑?？刂撇呗酝ㄟ^分段滑模面以及加入補(bǔ)償器和反步控制，提高了系統(tǒng)的性能和魯棒性。仿真實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明了控制策略的有效性和優(yōu)越性。未來，我們將繼續(xù)提高算法的性能和優(yōu)化控制器的設(shè)計(jì)，以便更好地應(yīng)用于工業(yè)控制領(lǐng)域?；诟倪M(jìn)滑模控制的振動基柔順機(jī)械臂的魯棒控制研究2摘要：

柔順機(jī)械臂的魯棒控制一直是研究熱點(diǎn)。本文提出一種基于改進(jìn)滑模控制的振動基柔順機(jī)械臂的魯棒控制方法。通過引入時(shí)間延遲補(bǔ)償器和自適應(yīng)改進(jìn)滑模控制律，可以有效抑制機(jī)械臂的振動和抖動，提高機(jī)械臂的魯棒性和控制精度。理論分析和數(shù)字仿真結(jié)果表明，所提方法能夠控制柔順機(jī)械臂，在各種擾動和不確定性情況下穩(wěn)定運(yùn)動。

關(guān)鍵詞：柔順機(jī)械臂；魯棒控制；改進(jìn)滑?？刂疲粫r(shí)間延遲補(bǔ)償器；自適應(yīng)控制；振動基

引言：

柔順機(jī)械臂由于具有高柔性、輕質(zhì)化、低慣性等特點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于半導(dǎo)體加工、醫(yī)療器械、狹小空間作業(yè)等領(lǐng)域。但由于其強(qiáng)耦合、大慣性、非線性等問題，控制難度大，容易出現(xiàn)振動和抖動等問題。因此，如何提高柔順機(jī)械臂的魯棒性和控制精度成為研究熱點(diǎn)。

目前，國內(nèi)外學(xué)者提出了許多控制方法，如PD控制、模糊控制、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制、滑?？刂频取Ｆ渲?，滑模控制因其具有強(qiáng)魯棒性、適應(yīng)性等特點(diǎn)，成為柔順機(jī)械臂控制中的重要方法。然而，滑模控制的抖動問題一直困擾著研究者。

綜合考慮柔順機(jī)械臂的特點(diǎn)，本文提出一種基于改進(jìn)滑模控制的振動基柔順機(jī)械臂的魯棒控制方法。改進(jìn)滑模控制既能有效抑制振動和抖動，又能提高機(jī)械臂的魯棒性和控制精度。

改進(jìn)滑?？刂频幕驹恚?/p>

滑模控制是一種無模型控制方法，具有強(qiáng)魯棒性、適應(yīng)性和快速響應(yīng)等優(yōu)點(diǎn)。其基本思想是在系統(tǒng)輸入控制量中添加跳躍形式的控制量（稱為滑模多項(xiàng)式），從而使系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)從當(dāng)前狀態(tài)到期望狀態(tài)的轉(zhuǎn)移。

然而，滑?？刂频亩秳訂栴}一直困擾著研究者。為解決此問題，學(xué)者提出了多種改進(jìn)滑模控制方法，如超滑模控制、自適應(yīng)滑模控制、魯棒滑模控制等。

本文采用自適應(yīng)改進(jìn)滑模控制律來進(jìn)一步改進(jìn)滑?？刂?。其基本思想是在滑?？刂浦幸胱赃m應(yīng)調(diào)整控制器增益，使其能夠自動學(xué)習(xí)和適應(yīng)外界環(huán)境變化，從而降低抖動幅度和提高控制精度。

改進(jìn)滑?？刂频臅r(shí)間延遲補(bǔ)償：

柔順機(jī)械臂受到多種擾動和不確定性因素的影響，如模型不確定性、外部干擾、傳感器偏差等，容易出現(xiàn)振動和滯后等問題。為解決此問題，采用時(shí)間延遲補(bǔ)償器來抑制振動和滯后。

時(shí)間延遲補(bǔ)償器是一種在輸出端口引入延遲環(huán)節(jié)的控制器，其作用是根據(jù)系統(tǒng)當(dāng)前狀態(tài)和輸出信息，預(yù)測輸出端口的未來狀態(tài)，并將此預(yù)測結(jié)果反饋給控制器，使其能夠提前響應(yīng)外界變化。

在本文中，時(shí)間延遲補(bǔ)償器與自適應(yīng)改進(jìn)滑?？刂坡上嘟Y(jié)合，構(gòu)成了一種具有更高魯棒性和控制精度的控制方法。

數(shù)值仿真結(jié)果：

為驗(yàn)證所提出的控制方法的有效性和優(yōu)越性，進(jìn)行了數(shù)值仿真實(shí)驗(yàn)。其中，柔順機(jī)械臂采用三自由度結(jié)構(gòu)，控制器采用改進(jìn)滑模控制的時(shí)間延遲補(bǔ)償器和自適應(yīng)調(diào)整控制器增益。

仿真結(jié)果表明，所提方法能夠控制柔順機(jī)械臂，使其在各種擾動和不確定性情況下穩(wěn)定運(yùn)動，抑制振動和抖動，提高了魯棒性和控制精度。

結(jié)論：

本文提出了一種基于改進(jìn)滑?？刂频恼駝踊犴槞C(jī)械臂的魯棒控制方法。通過引入時(shí)間延遲補(bǔ)償器和自適應(yīng)改進(jìn)滑?？刂坡桑梢杂行б种茩C(jī)械臂的振動和抖動，提高機(jī)械臂的魯棒性和控制精度。數(shù)值仿真結(jié)果表明，所提方法能夠控制柔順機(jī)械臂，在各種擾動和不確定性情況下穩(wěn)定運(yùn)動。基于改進(jìn)滑?？刂频恼駝踊犴槞C(jī)械臂的魯棒控制研究3摘要：本文結(jié)合振動基柔順機(jī)械臂的實(shí)際情況，基于改進(jìn)滑?？刂评碚撨M(jìn)行研究，設(shè)計(jì)出一種具有魯棒性的控制方法。該方法考慮到機(jī)械臂的非線性特性和外界干擾對控制系統(tǒng)的影響，通過引入一種自適應(yīng)參數(shù)和誤差補(bǔ)償器來改進(jìn)傳統(tǒng)的滑?？刂品椒ǎ蕴岣呦到y(tǒng)的魯棒性和追蹤性能。仿真結(jié)果表明，該控制方法在振動基柔順機(jī)械臂的控制中具有較好的控制效果。

關(guān)鍵詞：振動基柔順機(jī)械臂；改進(jìn)滑?？刂疲蛔赃m應(yīng)參數(shù)；誤差補(bǔ)償器；魯棒控制

一、概述

振動基柔順機(jī)械臂是近年來發(fā)展起來的一種新型機(jī)械臂結(jié)構(gòu)，其具有柔性關(guān)節(jié)和基座的特點(diǎn)，可實(shí)現(xiàn)更加柔和的運(yùn)動和更高的精度。然而，在實(shí)際應(yīng)用中，由于機(jī)械臂的非線性特性、外界干擾等原因，傳統(tǒng)的控制方法難以滿足自適應(yīng)控制等高要求。因此，需要引入一種新的控制方法，以提高機(jī)械臂的魯棒性和追蹤性能。

滑?？刂剖且环N具有很好魯棒性的控制方法，在許多控制系統(tǒng)中得到了廣泛的應(yīng)用。滑?？刂频乃枷胧峭ㄟ^構(gòu)造一個(gè)滑動面使系統(tǒng)保持在該面上運(yùn)動，實(shí)現(xiàn)對系統(tǒng)的控制。盡管滑?？刂凭哂泻芎玫聂敯粜院涂焖夙憫?yīng)的特點(diǎn)，但是在實(shí)際應(yīng)用中，由于參數(shù)不確定性、摩擦力和外部干擾等因素的存在，常常導(dǎo)致控制系統(tǒng)的不穩(wěn)定，這就需要引入改進(jìn)的滑模控制方法。

本文基于改進(jìn)滑模控制理論，對振動基柔順機(jī)械臂的魯棒控制進(jìn)行研究。首先，對機(jī)械臂的數(shù)學(xué)模型進(jìn)行建立。然后，通過引入一種自適應(yīng)參數(shù)和誤差補(bǔ)償器來改進(jìn)傳統(tǒng)的滑模控制方法，以提高系統(tǒng)的魯棒性和追蹤性能。最后，通過仿真實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了該控制方法的有效性。

二、機(jī)械臂的數(shù)學(xué)模型

振動基柔順機(jī)械臂的數(shù)學(xué)模型可以描述為：

$$\begin{bmatrix}\dot{\theta_1}\\\dot{\theta_2}\\\ddot{q}\end{bmatrix}=\begin{bmatrix}0&1&0\\-\frac{k_2}{m_2l^2}&-\frac{c}{m_2l^2}&-\frac{m_2l^2}\\-\frac{k_1+k_2}{m_1+m_2}&-\frac{c}{m_1+m_2}&-\frac{m_1+m_2}\end{bmatrix}\begin{bmatrix}\theta_1\\\theta_2\\q\end{bmatrix}+\begin{bmatrix}0\\\frac{1}{m_2l}\\\frac{1}{m_1+m_2}\end{bmatrix}u+\begin{bmatrix}0\\\frac{1}{m_2l}\\0\end{bmatrix}F_e$$

其中，$\theta_1$和$\theta_2$分別表示機(jī)械臂的兩個(gè)轉(zhuǎn)角，$q$表示電機(jī)軸的轉(zhuǎn)角，$m_1$和$k_1$為基座質(zhì)量和彈性系數(shù)，$m_2$和$k_2$為負(fù)載質(zhì)量和彈性系數(shù)，$c$和$b$為阻尼和摩擦力系數(shù)，$l$為機(jī)械臂長度，$u$為控制輸入，$F_e$為外部干擾力。

三、改進(jìn)滑模控制方法

在傳統(tǒng)的滑?？刂品椒ㄖ校O(shè)系統(tǒng)的狀態(tài)為$x$，控制輸入為$u$，控制器可表示為：

$$u=K_fsgn(s)$$

其中，$s$為滑動面，$sgn(s)$為符號函數(shù)，$K_f$為控制特性增益。

為了提高控制器的魯棒性和追蹤性能，需要引入一種自適應(yīng)參數(shù)和誤差補(bǔ)償器來改進(jìn)傳統(tǒng)的滑?？刂品椒ā?/p>

首先，設(shè)滑動面為：

$$s=e+\lambda\dot{e}$$

其中，$e$為系統(tǒng)誤差，$\dot{e}$為誤差的導(dǎo)數(shù)，$\lambda$為自適應(yīng)參數(shù)。

其次，根據(jù)誤差的定義，誤差模型可以表示為：

$$e=x_d-x$$

其中，$x_d$為期望狀態(tài)，$x$為實(shí)際狀態(tài)。

最后，為了進(jìn)一步消除誤差影響，引入誤差補(bǔ)償器，表示為：

$$u=K_fsgn(s)-K_{e1}\hat{e}-K_{e2}\dot{\hat{e}}$$

其中，$\hat{e}$為誤差估計(jì)器，$\dot{\hat{e}}$為誤差估計(jì)器的導(dǎo)數(shù)，$K_{e1}$和$K_{e2}$為誤差補(bǔ)償增益。

四、仿真實(shí)驗(yàn)

本文采用Matlab/Simulink軟件平臺進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn)。假設(shè)振動基柔順機(jī)械臂的參數(shù)如下：$m_1=10kg$，$m_2=5kg$，$k_1=500N/m$，$k_2=250N/m$，$c=10N·s/m$，$b=0.5N·m·s$，$l=1m$。期望狀態(tài)為$x_d=[\pi,0,0]^T$，仿真時(shí)間為10秒。

圖1是