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(guó)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(duì)被控對(duì)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(shí)能力強(qiáng)，可以無(wú)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(wèn)題，仿真實(shí)驗(yàn)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(hào)：TP273+．3 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：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(dòng)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(lái)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(gè)高度非線性系統(tǒng)，運(yùn)動(dòng)過(guò)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?yàn)闄C(jī)器人動(dòng)力學(xué)一般是非線性動(dòng)力學(xué)，同時(shí)存在多種不可預(yù)見(jiàn)的外部干擾，所以機(jī)器人控制是近年來(lái)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(wèn)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(duì)支路進(jìn)行仿真，然后用滑模控制等效控制對(duì)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(duì)切換項(xiàng)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(dòng)冗余并聯(lián)機(jī)器人[6]，其中有三個(gè)驅(qū)動(dòng)部分，每個(gè)驅(qū)動(dòng)側(cè)包括一個(gè)松下MINAs A系列Ac伺服電機(jī)和減速裝置。上位機(jī)通過(guò)固高控制卡GT-400-sV來(lái)控制三個(gè)電機(jī)，這種機(jī)構(gòu)的驅(qū)動(dòng)元減少，結(jié)構(gòu)緊湊，具有廣泛的實(shí)用價(jià)值和研究?jī)r(jià)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(dòng)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(wú)刷交流伺服電機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩可以表示為：
式中Kpre為電流信號(hào)前置放大系數(shù)88，Ki為電流環(huán)反饋系數(shù)2.2，KA為電流調(diào)節(jié)器放大系數(shù)6，Lp、Rp三相繞組的電感和電阻，分別為9．9 mH、3 7Ω，Id分別為三相繞組的電流，Kr為速度反饋系數(shù)，i為減速比為0.025，Ktp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(dòng)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(jì)
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(jì)、抗干擾、對(duì)參數(shù)變化不敏感的強(qiáng)魯棒性，以及容易采用動(dòng)力器件實(shí)施。然而設(shè)計(jì)Vss的兩個(gè)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(dòng)態(tài)時(shí)的圍繞切換面的抖振問(wèn)題。用由不確定性的界限計(jì)算出來(lái)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(shí)引起的抖振較大。定義如下指數(shù)趨近律：
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