机械手控制2-机器人控制技术基础-课件

1、机械手的控制(滑模控制)Control of Robotic Manipulator3.1 机械人系统的构成3.2 传递函数和方框图3.3 PID控制3.4 机械手的位置控制3.5 机械手的力控制3.6 其他控制方式简介变结构控制及其在机器人中的应用自适应控制及其在机器人中的应用神经网络技术及其在机器人中的应用模糊控制理论及其在机器人中的应用一、变结构控制及其在机器人中的应用变结构控制概述 变结构控制的基本理论和方法机器人控制应用示例1-1 变结构控制概述20世纪50年代，由前苏联科学家提出；70年代中期，欧美学者开始研究；80年代中期，我国学者开始研究。已经形成理论体系，成为自动控制的一种常

2、见的设计方法。可以用于广泛的控制对象：线性与非线性、连续与离散、确定与不确定性系统、集中与分布参数系统、同步与时滞系统、集中控制与分散控制。适用的控制任务包括：镇定、运动跟踪、模型跟踪等。可以用于广泛的工程系统。该方法的特点：比较简单、容易理解。1-2 变结构控制的基本理论和方法(1)变结构系统：如果存在一个（或几个）切换函数，当系统的状态达到切换函数值时，系统自动地从一个结构（模型）切换到另一个确定的结构（模型）。1-2 变结构控制的基本理论和方法(2)考虑一个线性定常二阶系统：其中 是系统状态变量；是系统控制变量。设计控制输入为这是一种变结构控制方式，其中 称为切换函数。1-2 变结构控制

3、的基本理论和方法(3)把相平面分为两个区：在 I 及 II 中，系统都是线性的，其微分方程为：下面，我们利用相平面方法研究这个系统的特性。根与相轨迹j0j0j0节点稳定焦点中心不稳定节点不稳定焦点鞍点 1j0 2j021j0121-2 变结构控制的基本理论和方法(4)先研究 I, 系统方程的原点是不稳定焦点，特征根为：再研究 II, 系统方程的原点是鞍点，特征根为：在切换线上：微分方程的解为：滑动运动指数稳定，沿 =0 趋向原点。1-2 变结构控制的基本理论和方法(5)考虑一个非线性控制系统：设计切换函数向量设计变结构控制输入满足到达条件（吸引条件）：切换面S以外的相轨线将于有限时间到达切换面

4、。切换面是滑动模态区，滑动运动渐近稳定，动态品质良好。变结构控制的基本设计步骤和条件：1-2 变结构控制的基本理论和方法(6)1. 到达条件可以简单的表示为：对于滑动运动，有展开第二式2. 等效控制从这个式子中可以解出 ，记为 称之为滑动模态的等效控制。1-2 变结构控制的基本理论和方法(7)简单明了地，变结构控制的设计可以表示为以下两步：求切换函数，保证滑动模态稳定；求变结构控制，满足到达条件。几个常用名词：变结构控制 (Variable structure control)滑动模态 (Sliding mode)准滑动模态 (Pseudo sliding mode )切换函数 (Switch

5、ing function)切换超面 (Switching hyper-surface)趋近率 (Approaching law)1-2 变结构控制的基本理论和方法(8)切换函数的选择线性切换函数：特殊二次型：非线性：变结构控制的选择常值继电器型：非线性值继电器型：以等效控制为基础的形式：自由形式：确保 成立1-2 变结构控制的基本理论和方法(9)趋近率的选择等速趋近率：指数趋近率：幂次趋近率：一般趋近率：考察 1-2 变结构控制的基本理论和方法(10)变结构控制运动的三个阶段趋近运动：滑动运动：稳态误差：1-2 变结构控制的基本理论和方法(11)变结构控制的优点不变性 (Invariance)

6、鲁棒性 (Robustness)变结构控制的缺点抖振 (Chattering)要求全部状态可测抖振的克服1-2 变结构控制的基本理论和方法(12) 6-DOF工业机器人1-3 机械手末端的跟踪控制 (1)MOTOMAN-UP200 机构本体电机传感器电源计算机功放驱动人机接口1-3 机械手末端的跟踪控制 (2)1-3 机械手末端的跟踪控制 (3)机械手变结构控制器放大与驱动传感器机器人的动力学方程：设给定运动为：跟踪误差：1-3 机械手末端的跟踪控制 (4)采用分散滑动模态控制，取切换函数为1-3 机械手末端的跟踪控制 (5)将机器人的动力学方程改写为系统全部进入滑动模态后，将形成 n 个独立的一阶滑动模态：分散滑动模态的含义是每个切换面 上的滑动模态 都是独立的