工業(yè)機(jī)器人系統(tǒng)控制問題研究

馬晴++賈雪松++孫偉

摘 要 針對機(jī)器人系統(tǒng)難以獲得精確數(shù)學(xué)模型的問題，研究了機(jī)器人控制系統(tǒng)的組成及特點(diǎn)，在此基礎(chǔ)上，總結(jié)了工業(yè)機(jī)器人的主要控制方法，最后，提出并分析了該領(lǐng)域備受關(guān)注的滑模控制方法的特點(diǎn)及抖振問題。

【關(guān)鍵詞】工業(yè)機(jī)器人 非線性系統(tǒng) 滑模控制

1 引言

隨著世界科技水平的不斷提高，工業(yè)機(jī)器人技術(shù)的強(qiáng)大生命力越來越顯著。它綜合人和機(jī)器特長，形成的一種智能化機(jī)械裝置。

機(jī)器人可重復(fù)編程、仿人操作、自動控制，并能在三維空間實(shí)現(xiàn)各種作用的多自由度定位裝置。由于很難精確得到機(jī)器人系統(tǒng)的運(yùn)動模型，且其控制的實(shí)現(xiàn)也十分復(fù)雜，如何對存在不確定性的機(jī)器人系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)有效地控制，成為當(dāng)前機(jī)器人技術(shù)的研究熱點(diǎn)。

目前，機(jī)器人控制問題面臨的主要問題就是機(jī)器人動力學(xué)模型的復(fù)雜性和系統(tǒng)自身具有的不確定性。

2 機(jī)器人的控制問題概述

2.1 機(jī)器人控制系統(tǒng)構(gòu)成

機(jī)器人系統(tǒng)主要由三大部分組成：執(zhí)行部分、檢測部分和控制系統(tǒng)，主要構(gòu)成如圖1所示，機(jī)器人的執(zhí)行部分主要有機(jī)械臂、手腕和手指以及它們的執(zhí)行機(jī)構(gòu)等具有運(yùn)動機(jī)能的部分；檢測部分是指獲取被控對象、機(jī)器人自身動態(tài)信息和周圍工作環(huán)境信息的各類傳感器；控制系統(tǒng)作為機(jī)器人系統(tǒng)的核心，是根據(jù)檢測部分的反饋信息，經(jīng)過一定的控制算法處理，來控制執(zhí)行機(jī)構(gòu)完成期望的操作而發(fā)出命令的部分。

機(jī)器人是一種強(qiáng)耦合、高度非線性且含有極大不確定性的復(fù)雜系統(tǒng)，對機(jī)器人實(shí)現(xiàn)成功控制的難度非常大，通常機(jī)器人控制技術(shù)的優(yōu)良好壞直接影響到機(jī)器人系統(tǒng)的先進(jìn)與否及其功能的強(qiáng)弱，因此，控制系統(tǒng)的設(shè)計是體現(xiàn)機(jī)器人技術(shù)水平高低的重要環(huán)節(jié)。

2.2 機(jī)器人的主要控制方法研究現(xiàn)狀

針對具有建模誤差和外界干擾的機(jī)器人控制問題，機(jī)器人的主要控制方法主要有：

2.2.1 傳統(tǒng)控制

機(jī)器人控制問題中一般采用的傳統(tǒng)控制方法有PID控制、前饋控制和計算力矩等，這些方法大都設(shè)計簡單且易于實(shí)現(xiàn)。傳統(tǒng)的控制方法發(fā)展比較成型，在實(shí)際應(yīng)用中也占據(jù)了重要地位。

2.2.2 現(xiàn)代控制

該方法的控制算法主要以魯棒控制和滑模變結(jié)構(gòu)控制為代表。魯棒控制是一種能夠保證不確定系統(tǒng)的穩(wěn)定性且達(dá)到滿意控制效果的控制方法。滑模控制是一種特殊的非線性控制，其基本思想為在誤差系統(tǒng)的狀態(tài)空間里，找一個超平面，且使超平面里的所有狀態(tài)軌跡最終都收斂于零。

2.2.3 智能控制

智能控制方面，目前比較流行的方法主要有自適應(yīng)控制、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制、模糊控制、遺傳算法控制等。

上述三種控制方法，優(yōu)勢顯著，但在機(jī)器人系統(tǒng)的控制問題中，多與其他控制方法相結(jié)合，優(yōu)勢互補(bǔ)，從而出現(xiàn)了一些混合的控制方法。

3 滑模變結(jié)構(gòu)控制概述

變結(jié)構(gòu)控制最初是由前蘇聯(lián)學(xué)者Emeleyano等人于20世紀(jì)50年代提出，當(dāng)時主要研究的是二階線性系統(tǒng)和單輸入高階系統(tǒng)。隨后許多學(xué)者也提出了多種變結(jié)構(gòu)控制的設(shè)計方案。

3.1 滑模控制的主要特點(diǎn)

滑模變結(jié)構(gòu)控制歷經(jīng)60余年的發(fā)展后成為了一個相對獨(dú)立的研究分支，并成為自動控制系統(tǒng)中一種常用的設(shè)計方法。總的來說，滑模控制主要有以下特點(diǎn)：

（1）算法簡單，控制器響應(yīng)速度較快，較容易實(shí)現(xiàn)。它適用于多種控制系統(tǒng)，如線性與非線性系統(tǒng)、連續(xù)與離散系統(tǒng)等各種控制系統(tǒng)。

（2）變結(jié)構(gòu)控制本質(zhì)上是將一個高階系統(tǒng)分解成兩個低階系統(tǒng)。這兩個子系統(tǒng)各自擁有獨(dú)特的性質(zhì)。這樣，滑動模態(tài)運(yùn)動方程就可以從原系統(tǒng)中解耦出來，形成獨(dú)立的動力學(xué)系統(tǒng)，并與控制無關(guān)；而對于另一個子系統(tǒng)，不需要求解微分方程組，只需根據(jù)到達(dá)條件就能確定其控制量。

（3）變結(jié)構(gòu)控制的滑動模態(tài)對系統(tǒng)的干擾和攝動，具有完全自適應(yīng)性。在變結(jié)構(gòu)控制中，系統(tǒng)中的攝動對滑動模態(tài)不產(chǎn)生絲毫影響，這樣，一些復(fù)雜系統(tǒng)的鎮(zhèn)定問題就得到了解決。

（4）滑模控制系統(tǒng)可以在確保穩(wěn)定性的同時還具有快速響應(yīng)的特性。

變結(jié)構(gòu)控制理論的出現(xiàn)，顛覆了經(jīng)典線性控制系統(tǒng)中的性能限制，很好的解決了動靜態(tài)性能指標(biāo)之間的矛盾。

3.2 滑模控制系統(tǒng)的抖振問題及其原因

從理論上來說，滑模控制系統(tǒng)的魯棒性會比一般普通的連續(xù)系統(tǒng)強(qiáng)。但是，滑模控制本質(zhì)上的不連續(xù)開關(guān)特性以及慣性等因素的存在，運(yùn)動點(diǎn)不是馬上停留在滑模面上，而是進(jìn)行快速反復(fù)的穿越運(yùn)動，從而導(dǎo)致系統(tǒng)發(fā)生抖振。因此，實(shí)際系統(tǒng)中，抖振現(xiàn)象是必然存在的，它也進(jìn)而成為滑模控制系統(tǒng)在實(shí)際系統(tǒng)中應(yīng)用的明顯障礙。抖振現(xiàn)象產(chǎn)生的原因主要有時間滯后開關(guān)、空間滯后開關(guān)、系統(tǒng)慣性等。

綜上所述，在實(shí)際的控制系統(tǒng)中，抖振現(xiàn)象可以看作是在光滑的滑模面s=0上，疊加了一種持續(xù)運(yùn)動的波形軌跡。抖振現(xiàn)象不僅影響控制的精確度，還會增加能量的消耗，而且易使系統(tǒng)的某些性能遭到破壞，甚至導(dǎo)致系統(tǒng)發(fā)生振蕩或失穩(wěn)，對系統(tǒng)的部件造成一定損壞。所以，削弱或消除抖振，是我們研究滑模變結(jié)構(gòu)控制的關(guān)鍵問題。

4 結(jié)論

本文針對當(dāng)前廣泛應(yīng)用的工業(yè)機(jī)器人系統(tǒng)的特點(diǎn)，考慮到其系統(tǒng)的復(fù)雜性，難以得到精確的數(shù)學(xué)模型的問題，在研究其系統(tǒng)構(gòu)成、主要控制方法的基礎(chǔ)上，提出并分析了一種當(dāng)前備受關(guān)注的滑模控制方法，并指出該系統(tǒng)具有的抖振問題及其原因。

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作者單位

沈陽城市建設(shè)學(xué)院 遼寧省沈陽市 110167