基于神经网络和状态观测器的机械臂终端滑模控制研究
发布时间：2021-11-18 05:21
快速响应、高精度的位置跟踪控制一直以来都是机械臂的研究热点。由于目前大多数控制方法都停留在跟踪误差渐进收敛阶段,因此研究有限时间跟踪控制算法具有重要意义。终端滑模控制,以其有限时间的收敛特性和对参数时变的强鲁棒性,在机械臂控制领域得到广泛的关注。然而它也面临一些问题需要解决。一方面,终端滑模存在着抖振和奇异问题。另一方面,终端滑模控制在机械臂标称动力学未知时无法独立实现位置跟踪。另外,目前大多数终端滑模控制方法都需要获得关节速度信号的反馈信息,但是考虑到速度传感器运行故障等原因,速度信号可能无法用于反馈,这给控制器的设计造成了巨大的挑战。鉴于上述机械臂终端滑模控制问题,本文基于神经网络、状态观测器、自适应理论等技术,研究一系列机械臂有限时间跟踪控制策略。论文研究工作如下:首先,针对存在外界扰动的机械臂有限时间位置跟踪问题,提出快速非奇异终端滑模控制策略。该方法设计一个降阶型快速终端滑动面,改善了在远离平衡点时系统状态的收敛速率,并引入饱和抑制消除奇异性。考虑切换函数鲁棒项会引发抖振现象,设计了基于超螺旋算法的鲁棒控制项来实现无抖振跟踪控制。其次,针对机械臂标称动力学完全未知且同时考虑执...
【文章来源】：南昌大学江西省 211工程院校
【文章页数】：83 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
图１．１?ＰＵＭＡ机械臂?图１．２第一台ＳＣＡＲＡ机械臂??
；内到达滑动模态＾二。，且??Ｔｒ＜Ｖ（０）ｍｌ?，然后系统误差变量ｅ、＾将沿着滑动面＾?＝?０收??敛到零。??而误差（ｅ，句处在域ｆ？时，存在两种情况：６⑴＞〇；?＃〇＜〇。基于ｅ⑴的解??的表达式：??ｔ??ｅ（ｔ）?＝?ｅ（０）?＋?＾（ｔ）ｄｔ?（３．２２）??０??我们对状态轨迹的运动过程进行分析：当６⑴＞〇时，根据（３．２２）可知ｅ⑴将单调??递增直到到达和穿过￡与＾的边界；当＜〇＜〇时，根据（３．２２）可知ｅ⑴将单调递??减直到到达和穿过五与Ｆ的边界。图３．１展现了状态的运动轨迹区域。??〇６?１?１?＇?ｍ?１?１??ｆ??０４??＼状态轨迹??－＿?‘??－０２－??／?．９?＝?０??＾?／??．０?６?１?１?１?＇?１?１??－０?２?－０１５?－０?１?－０．０５?０?０?０５?０１?０１５?０２??ｅ??图３．１系统状态轨迹运动区域??根据上述的分析，可知系统误差状态（ｅ，〇不会始终呆在区域Ｆ中，而是会??在有限时间内穿过Ｆ到达￡。一旦系统状态处于￡，由式（３．２１）可知系统将满足??有限时间稳定条件，状态轨迹将在有限的时间以内运动到滑动面上并沿着滑动??２４??
?第３章存在外界扰动的机械臂终端滑模控制???０６?１?１?＇?１?１?—实际轨迹?〇４?１?＇?１?＇?＇?—实际轨迹??ｔＷｌＡ？?！：ＷＶ＼／??－０．６??１?＇?＇?????＇?＇??－０．４??？?１?？?＇?１?＇?＇???０?２?４?６?８?１０?１２?１４?１６?０?２?４?６?８?１０?１２?１４?１６??时间（Ｓ）?时Ｎ（Ｓ）??图３．２位置跟踪结果??０．５?Ｉ?１?１???１?????１??０．３????１?．?１?１?．?．???０．４?〇?２５??邶?糊?０２?■??＾?０．３?＿??｜?Ｉ。１５?ｌ?＿??０?２１?ｍ??ＪＥｉ?Ｉ?〇ｌ?１?？??ｇ?０?１?＼?Ｓ?＼??＾?０?０５?ｙ?＇??－０．１??■?１?１?＇?＇?１?＊??－０．０５＇?■?？?■?？?■?＊?？???０?２?４?６?８?１０?１２?１４?１６?０?２?４?６?８?１０?１２?１４?１６??时间（Ｓ＞?时?ｌ＇ｎｊ（ｓ）??图３．３二关节位置误差??首先对３．２节所设计的ＦＮＴＳＭ控制策略进行验证。取饱和上界ｐ?＝?ｌ，控制??增益参数々?＝?５０。仿真结果如图３．２？３．７所示。图３．２为机械臂二关节的位置跟??踪曲线。图３．３展现了两关节位置跟踪误差结果。图３．４是两关节的速度轨迹跟??踪曲线。图３．５为两关节速度误差曲线。图３．６为系统误差（位置误差ｅ和速度??误差纟）状态的相轨迹曲线。图３．７为机械臂控制力矩曲线。???实轨边?＇??攻：际轨迹?
【参考文献】：
期刊论文
[1]非完整移动机械臂的自适应模糊滑模控制研究[J]. 郑耿峰. 机电工程. 2020(01)
[2]考虑滑模抖振和扰动补偿的永磁同步电机改进滑模控制[J]. 赵峰,罗雯,高锋阳,余佳乐. 西安交通大学学报. 2020(06)
[3]采用摩擦补偿的弹药传输机械臂自适应终端滑模控制[J]. 姚来鹏,侯保林,刘曦. 上海交通大学学报. 2020(02)
[4]非奇异快速终端滑模及动态面控制的轨迹跟踪制导律[J]. 陈琦,王旭刚. 国防科技大学学报. 2020(01)
[5]对带有死区的机械臂系统的快速非奇异终端滑模轨迹跟踪控制[J]. 徐贵. 工业控制计算机. 2020(01)
[6]机械臂非奇异快速终端滑模模糊控制[J]. 吴爱国,吴绍华,董娜. 浙江大学学报(工学版). 2019(05)
[7]机械臂神经网络非奇异快速终端滑模控制[J]. 吴爱国,刘海亭,董娜. 农业机械学报. 2018(02)
[8]非奇异终端滑模控制系统相轨迹和暂态分析[J]. 穆朝絮,余星火,孙长银. 自动化学报. 2013(06)
[9]基于滑模变结构的空间机器人神经网络跟踪控制[J]. 张文辉,齐乃明,尹洪亮. 控制理论与应用. 2011(09)
[10]Adaptive Terminal Sliding Mode Control for Rigid Robotic Manipulators[J]. Mezghani Ben Romdhane Neila,Damak Tarak. International Journal of Automation & Computing. 2011(02)
博士论文
[1]基于终端滑模的机械臂鲁棒自适应控制方法研究[D]. 曹乾磊.中国石油大学(华东) 2015
[2]四旋翼无人机几何滑模姿态控制技术和抗扰应用研究[D]. 安宏雷.国防科学技术大学 2013
硕士论文
[1]基于滑模的刚性机械臂有限时间轨迹跟踪控制研究[D]. 李小倩.东北大学 2013
[2]基于状态观测器的不确定性线性系统鲁棒控制研究[D]. 韦俊青.广东工业大学 2013
[3]滑模变结构控制系统抖振抑制方法的研究[D]. 李琳.大连理工大学 2006
本文编号：3502290
【文章来源】：南昌大学江西省 211工程院校
【文章页数】：83 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
图１．１?ＰＵＭＡ机械臂?图１．２第一台ＳＣＡＲＡ机械臂??
；内到达滑动模态＾二。，且??Ｔｒ＜Ｖ（０）ｍｌ?，然后系统误差变量ｅ、＾将沿着滑动面＾?＝?０收??敛到零。??而误差（ｅ，句处在域ｆ？时，存在两种情况：６⑴＞〇；?＃〇＜〇。基于ｅ⑴的解??的表达式：??ｔ??ｅ（ｔ）?＝?ｅ（０）?＋?＾（ｔ）ｄｔ?（３．２２）??０??我们对状态轨迹的运动过程进行分析：当６⑴＞〇时，根据（３．２２）可知ｅ⑴将单调??递增直到到达和穿过￡与＾的边界；当＜〇＜〇时，根据（３．２２）可知ｅ⑴将单调递??减直到到达和穿过五与Ｆ的边界。图３．１展现了状态的运动轨迹区域。??〇６?１?１?＇?ｍ?１?１??ｆ??０４??＼状态轨迹??－＿?‘??－０２－??／?．９?＝?０??＾?／??．０?６?１?１?１?＇?１?１??－０?２?－０１５?－０?１?－０．０５?０?０?０５?０１?０１５?０２??ｅ??图３．１系统状态轨迹运动区域??根据上述的分析，可知系统误差状态（ｅ，〇不会始终呆在区域Ｆ中，而是会??在有限时间内穿过Ｆ到达￡。一旦系统状态处于￡，由式（３．２１）可知系统将满足??有限时间稳定条件，状态轨迹将在有限的时间以内运动到滑动面上并沿着滑动??２４??
?第３章存在外界扰动的机械臂终端滑模控制???０６?１?１?＇?１?１?—实际轨迹?〇４?１?＇?１?＇?＇?—实际轨迹??ｔＷｌＡ？?！：ＷＶ＼／??－０．６??１?＇?＇?????＇?＇??－０．４??？?１?？?＇?１?＇?＇???０?２?４?６?８?１０?１２?１４?１６?０?２?４?６?８?１０?１２?１４?１６??时间（Ｓ）?时Ｎ（Ｓ）??图３．２位置跟踪结果??０．５?Ｉ?１?１???１?????１??０．３????１?．?１?１?．?．???０．４?〇?２５??邶?糊?０２?■??＾?０．３?＿??｜?Ｉ。１５?ｌ?＿??０?２１?ｍ??ＪＥｉ?Ｉ?〇ｌ?１?？??ｇ?０?１?＼?Ｓ?＼??＾?０?０５?ｙ?＇??－０．１??■?１?１?＇?＇?１?＊??－０．０５＇?■?？?■?？?■?＊?？???０?２?４?６?８?１０?１２?１４?１６?０?２?４?６?８?１０?１２?１４?１６??时间（Ｓ＞?时?ｌ＇ｎｊ（ｓ）??图３．３二关节位置误差??首先对３．２节所设计的ＦＮＴＳＭ控制策略进行验证。取饱和上界ｐ?＝?ｌ，控制??增益参数々?＝?５０。仿真结果如图３．２？３．７所示。图３．２为机械臂二关节的位置跟??踪曲线。图３．３展现了两关节位置跟踪误差结果。图３．４是两关节的速度轨迹跟??踪曲线。图３．５为两关节速度误差曲线。图３．６为系统误差（位置误差ｅ和速度??误差纟）状态的相轨迹曲线。图３．７为机械臂控制力矩曲线。???实轨边?＇??攻：际轨迹?
【参考文献】：
期刊论文
[1]非完整移动机械臂的自适应模糊滑模控制研究[J]. 郑耿峰. 机电工程. 2020(01)
[2]考虑滑模抖振和扰动补偿的永磁同步电机改进滑模控制[J]. 赵峰,罗雯,高锋阳,余佳乐. 西安交通大学学报. 2020(06)
[3]采用摩擦补偿的弹药传输机械臂自适应终端滑模控制[J]. 姚来鹏,侯保林,刘曦. 上海交通大学学报. 2020(02)
[4]非奇异快速终端滑模及动态面控制的轨迹跟踪制导律[J]. 陈琦,王旭刚. 国防科技大学学报. 2020(01)
[5]对带有死区的机械臂系统的快速非奇异终端滑模轨迹跟踪控制[J]. 徐贵. 工业控制计算机. 2020(01)
[6]机械臂非奇异快速终端滑模模糊控制[J]. 吴爱国,吴绍华,董娜. 浙江大学学报(工学版). 2019(05)
[7]机械臂神经网络非奇异快速终端滑模控制[J]. 吴爱国,刘海亭,董娜. 农业机械学报. 2018(02)
[8]非奇异终端滑模控制系统相轨迹和暂态分析[J]. 穆朝絮,余星火,孙长银. 自动化学报. 2013(06)
[9]基于滑模变结构的空间机器人神经网络跟踪控制[J]. 张文辉,齐乃明,尹洪亮. 控制理论与应用. 2011(09)
[10]Adaptive Terminal Sliding Mode Control for Rigid Robotic Manipulators[J]. Mezghani Ben Romdhane Neila,Damak Tarak. International Journal of Automation & Computing. 2011(02)
博士论文
[1]基于终端滑模的机械臂鲁棒自适应控制方法研究[D]. 曹乾磊.中国石油大学(华东) 2015
[2]四旋翼无人机几何滑模姿态控制技术和抗扰应用研究[D]. 安宏雷.国防科学技术大学 2013
硕士论文
[1]基于滑模的刚性机械臂有限时间轨迹跟踪控制研究[D]. 李小倩.东北大学 2013
[2]基于状态观测器的不确定性线性系统鲁棒控制研究[D]. 韦俊青.广东工业大学 2013
[3]滑模变结构控制系统抖振抑制方法的研究[D]. 李琳.大连理工大学 2006
本文编号：3502290
本文链接：https://www.wllwen.com/kejilunwen/zidonghuakongzhilunwen/3502290.html
