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基于滑模变结构的机器人关节控制系统研究

2020-12-10阅读(1007)

基于滑模变结构的机器人关节控制系统研究

论文摘要

机器人关节伺服控制系统是机器人控制技术的核心内容,其设计合理与否直接关系到机器人的整体运动性能。因此,采用合理的控制策略,开发出有效的关节控制驱动器,对提高机器人的位置精度、快速性、抗干扰能力有很大意义。本文采用滑模变结构对机器人单关节进行控制,仿真表明传统比例滑模变结构存在抖振问题,提出了指数趋近律滑模变结构和模糊自适应滑模变结构应用于机器人关节控制,仿真和实验表明系统不仅抖振减小,而且稳态精度高,响应速度快,跟踪性能好,并有一定的抗干扰能力。本文的主要工作和成果如下:1.介绍了由直流力矩电机和谐波减速机组成的关节机械结构,仿真分析了其机械特性,表明关节具有较好的响应速度、机械特性、调节特性;2.分别采用传统比例滑模变结构、指数趋近律滑模变结构、模糊自适应滑模变结构建立了机器人单关节控制模型,并用MATLAB仿真分析了各自的性能。模糊自适应滑模控制根据系统状态能对滑模参数进行自适应调节,在减小前两种滑模控制抖振的同时,提高了系统的抗干扰能力。通过与PID控制的比较表明,模糊滑模控制有更好的快速性、跟踪性和鲁棒性;3.设计了机器人关节测控系统:设计了关节控制驱动、位置转角反馈、CAN通讯硬件电路;软件分为基于PC机的上位机控制软件和基于Dspic30f/4012控制板的下位机控制软件。上位机是基于LabVIEW开发的,而下位机软件基于C语言开发的,包括PWM调速、AS5045位置信号读取、CAN通讯、PID和离散模糊滑模变结构控制算法等。该测控系统能实现控制模式和控制策略选取、PID参数及滑模参数设置、目标位置的发送、和位置数据的实时采集、显示与存储等功能;4.搭建实验平台,进行静态精度,动态和鲁棒性能实验。结果表明在滑模控制下关节稳态精度能达到磁编码器AS5045的最高分辨率0.09°,滑模控制下关节系统的上升时间比PID控制快0.1s,最大超调为0.4%,且运动平稳。在关节处于稳态下,增加8.6N.m外负载,滑模控制下关节变化的角度比PID控制下关节变化的角度小0.18°。验证了机器人滑模变结构控制系统精度高,响应快,具有良好的鲁棒性。本文建立了机器人滑模变结构的控制模型,仿真和实验表明机器人滑模变结构的控制系统具有良好的静态动态特性和一定的抗干扰能力。可以继续研究神经网络等智能控制结合滑模变结构控制机器人关节,进一步提高关节系统的性能;也可考虑关节之间的耦合,对机器人多关节进行滑模控制研究。

论文目录

  • 摘要
  • ABSTRACT
  • 第1章 绪论
  • 1.1 课题研究背景、目的和意义
  • 1.2 国内外研究现状及存在的问题
  • 1.2.1 控制策略
  • 1.2.2 直流伺服驱动系统
  • 1.3 本课题主要的研究内容
  • 第2章 关节结构及其数学建模
  • 2.1 机器人关节分类
  • 2.2 机器人关节结构设计
  • 2.2.1 关节运动形式的确定
  • 2.2.2 电机选取
  • 2.2.3 减速机选取
  • 2.2.4 关节机械结构
  • 2.3 关节电机数学建模及仿真
  • 2.3.1 数学模型
  • 2.3.2 MATLAB 关节电机仿真
  • 2.4 本章小结
  • 第3章 关节滑模变结构位置控制的建模与仿真
  • 3.1 滑模变结构基本理论
  • 3.1.1 滑模变结构控制的定义
  • 3.1.2 滑动模态的存在和到达条件
  • 3.1.3 等效控制
  • 3.1.4 滑动模态运动方程
  • 3.1.5 变结构控制系统的品质
  • 3.2 关节基于比例切换函数的滑模建模
  • 3.2.1 控制器设计
  • 3.2.2 MATLAB/Simulink 关节的比例滑模控制建模
  • 3.3 指数趋近律的滑模变结构
  • 3.3.1 关节基于指数趋近律滑模控制的数学建模
  • 3.3.2 关节基于指数趋近率滑模控制的仿真
  • 3.4 模糊滑模控制
  • 3.4.1 基本原理
  • 3.4.2 系统数学建模
  • 3.4.3 模糊自适应系统的设计
  • 3.4.4 模糊自适应滑模控制建模及响应
  • 3.4.5 PID 与模糊滑模在控制性能上的比较
  • 3.5 本章小结
  • 第4章 系统的硬件与软件设计
  • 4.1 硬件设计
  • 4.1.1 单关节伺服控制系统结构
  • 4.1.2 关节控制器
  • 4.1.3 功率驱动电路
  • 4.1.4 位置信号反馈电路
  • 4.1.5 CAN 总线通讯
  • 4.2 软件设计
  • 4.2.1 整体软件结构
  • 4.2.2 上位机软件
  • 4.2.3 CAN-PC 适配卡库函数的调用
  • 4.2.4 下位机软件
  • 4.2.5 关节控制器CAN 通讯程序设计
  • 4.2.6 其它软件
  • 4.3 本章小结
  • 第5章 实验与分析
  • 5.1 实验目的
  • 5.2 实验平台
  • 5.3 关节稳态精度实验
  • 5.4 关节动态实验
  • 5.5 鲁棒性实验
  • 5.6 本章小结
  • 第6章 结论与展望
  • 6.1 总结
  • 6.2 展望
  • 参考文献
  • 致谢
  • 攻读学位期间参加的科研项目和成果

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