神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)滑模控制在并聯(lián)機(jī)器人中的應(yīng)用

王磊，高國琴，蔡紀(jì)鶴

(江蘇大學(xué)，江蘇鎮(zhèn)江212013)

    摘要：首先用滑模控制策略對被控對象進(jìn)行控制仿真，在分析結(jié)果后，結(jié)合神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)滑模控制方法，充分利用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)滑模控制的學(xué)習(xí)能力強(qiáng)，自適應(yīng)辨識能力強(qiáng)，可以無窮逼近任意函數(shù)的優(yōu)點(diǎn)。仿真結(jié)果表明，神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)滑模控制方法的跟蹤效果好，系統(tǒng)誤差小，可以滿足機(jī)器人控制的要求，能夠解決機(jī)器人的軌跡跟蹤問題，仿真實(shí)驗證實(shí)了該控制策略的正確性和有效性。

    關(guān)鍵詞：并聯(lián)機(jī)器人；滑模控制；神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)；仿真；控制策略

    中圖分類號：TP273⁺．3  文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A  文章編號：1004—7018(2008)08—0032—04

0引言   

    并聯(lián)機(jī)器人具有高精度、剛度大、承載力強(qiáng)、運(yùn)動慣量小、位置誤差不積累等特點(diǎn)，與串聯(lián)機(jī)器人呈互補(bǔ)關(guān)系，成為機(jī)器人研究領(lǐng)域的熱點(diǎn)。

    本文力圖研究一種控制策略，來滿足并聯(lián)機(jī)構(gòu)的高速度、高精度的控制要求。并聯(lián)機(jī)器人本身是一個高度非線性系統(tǒng)，運(yùn)動過程中存在著很大的干擾因素，常規(guī)的控制策略已經(jīng)很難滿足控制要求。變結(jié)構(gòu)控制系統(tǒng)在機(jī)器人、航空航天和工業(yè)領(lǐng)域中有著大量的應(yīng)用研究，因為機(jī)器人動力學(xué)一般是非線性動力學(xué)，同時存在多種不可預(yù)見的外部干擾，所以機(jī)器人控制是近年來變結(jié)構(gòu)控制系統(tǒng)理論的主要應(yīng)用環(huán)境之一。但是抖振問題一直是變結(jié)構(gòu)控制的熱點(diǎn)，消除抖振的方法有很多，本文先用趨近率方法對支路進(jìn)行仿真，然后用滑模控制等效控制對系統(tǒng)仿真，由于滑模控制的抖振大小主要是由其控制器的切換增益決定的，最后提出的一種新型的解決抖振控制方法，采用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)對切換項的增益進(jìn)行調(diào)節(jié)，從而從根本上降低了滑模控制的抖振。

1支路模型

    本文研究的并聯(lián)機(jī)器人是二自由度驅(qū)動冗余并聯(lián)機(jī)器人^[6]，其中有三個驅(qū)動部分，每個驅(qū)動側(cè)包括一個松下MINAs A系列Ac伺服電機(jī)和減速裝置。上位機(jī)通過固高控制卡GT-400-sV來控制三個電機(jī)，這種機(jī)構(gòu)的驅(qū)動元減少，結(jié)構(gòu)緊湊，具有廣泛的實(shí)用價值和研究價值，在工業(yè)中具有廣泛的應(yīng)用。如圖1所示。  

2交流伺服驅(qū)動支路模型

    本文中的控制電機(jī)是松下交流伺服電機(jī)，根據(jù)有關(guān)文獻(xiàn)[7,8]可知，電流控制的三相星型連接的無刷交流伺服電機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩可以表示為：

式中K_pre為電流信號前置放大系數(shù)88，K_i為電流環(huán)反饋系數(shù)2.2，K_A為電流調(diào)節(jié)器放大系數(shù)6，L_p、R_p三相繞組的電感和電阻，分別為9．9 mH、3 7Ω，I_d分別為三相繞組的電流，K_r為速度反饋系數(shù)，i為減速比為0.025，K_tp為轉(zhuǎn)矩常數(shù)為0．67 N·m／A。并且有:  

    另外，與直流電機(jī)負(fù)載軸的分析類似，在不考慮等效干擾的條件下驅(qū)動軸上的轉(zhuǎn)矩平衡方程為：

聯(lián)合式(1)、式(3)，可以得到忽略等效干擾力矩條件下的傳遞函數(shù)：

代人數(shù)據(jù)，得到的傳遞函數(shù)然后轉(zhuǎn)化為狀態(tài)空間方程[1-2]為：

3控制器設(shè)計

3.l滑模變結(jié)構(gòu)控制思路^[4]

    滑模變結(jié)構(gòu)(Vss)控制是一種有效的控制方法，一般可得到不連續(xù)的控制律。VSS的主要優(yōu)點(diǎn)在于系統(tǒng)降階、解耦設(shè)計、抗干擾、對參數(shù)變化不敏感的強(qiáng)魯棒性，以及容易采用動力器件實(shí)施。然而設(shè)計Vss的兩個主困難是確定驅(qū)使系統(tǒng)滑向滑模的控制，以及減小處于滑動態(tài)時的圍繞切換面的抖振問題。用由不確定性的界限計算出來的固定控制增益，如果增益ε太小，則趨近速度很小；相反，若s較大，則到達(dá)滑模時引起的抖振較大。定義如下指數(shù)趨近律：