关键词：机械臂;;轨迹跟踪;;干扰观测器;;趋近律;;非线性滑模面
摘 要：随着科学技术的飞速发展,机械臂已在多种领域普遍应用,对其运行的精确性和安全性提出了更高的要求。机械臂控制方式灵活,有较强的适应工作环境的能力,但它是一类复杂非线性系统,对控制系统有较高的要求。轨迹跟踪是机械臂执行后续工作的基础,由于存在外界干扰、参数不确定性以及未建模动态的影响,提高轨迹跟踪的精度,保持机械臂有良好的动静态性能是目前研究的重点问题。进一步研究机械臂的控制器,对提高系统的稳定性和安全性有重要的意义。在国内外对机械臂轨迹跟踪控制研究的基础上,本文针对机械臂对外界干扰较为敏感的特性以及控制中存在抖振的问题进行了研究。基于DOB(Disturbance Observe,干扰观测器),分别设计了改进趋近律的SMC(Sliding Mode Control,滑模控制)策略和非线性滑模控制策略。首先,对机械臂系统的空间位置描述和基本变换方式做了深入研究。在此基础上,利用Lagrange函数建立N自由度的机械臂动力学方程,并对其进行一定程度上的简化,建立其数学模型,随后对机械臂动力学特性进行简要分析。其次,引入DOB来克服外界干扰及未建模动态对系统的影响,构建了基于DOB的机械臂数学模型。其中,外部扰动中可观测的部分使用DOB消除,不可观测的部分采用本文设计的控制器进行补偿。针对要求响应速度快的系统,设计了改进指数趋近律,选取合适的滑模面,利用Lyapunov函数证明系统的稳定性,设计相应的控制律,实现对未观测到的干扰进行补偿。对于控制精度要求高的系统,采用非线性SMC策略,利用基于DOB的数学模型,定义轨迹跟踪误差,进而设计非线性滑模面,证明系统稳定性并设计相应的控制律。最后,针对上述设计的两种控制器,分别对其轨迹跟踪曲线、轨迹跟踪误差、DOB观测结果进行仿真验证。通过比较传统SMC方法、改进趋近律的控制方法与非线性滑模控制方法的仿真结果,验证DOB能够减小外界干扰对系统的影响。改进趋近律的滑模控制器和非线性滑模控制器都可以有效减小系统抖振,增强系统的动态性能,前者有较快的响应速度,后者能保持较小的跟踪误差。
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