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《西安电子科技大学》 2019年
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非线性机器人的二阶滑模控制

李祎丰  
【摘要】:随着科学技术的进步和发展,机器人已参与到人类生活的方方面面,滑模控制作为一种有特殊优势的非线性控制理论本应广泛用于非线性机器人控制系统,但其不连续控制产生的抖振现象限制了它在机器人控制中的应用。本文利用滑模控制理论设计出有效的机器人系统控制律,分别在一阶和二阶滑模控制设计的框架内提出了三种有效的控制方法。首先形成了一种机器人逆动力解耦模型,并据此形成了一阶线性滑模控制,并应用李雅普诺夫直接方法证明了一阶滑模控制闭环系统的全局渐近稳定性。为了提高快速瞬态响应速度和稳态跟踪精度,引入非线性函数设计了一种非线性滑模面,提出了机器人一阶非线性滑模控制,证明了闭环系统的全局渐近稳定性。最后,考虑应用高阶滑模控制理论和非线性滑模面的优势,将非线性滑模设计应用到二阶滑模控制中,从而提出了一种二阶非线性滑模控制方法。这种方法能够通过一阶滑模控制的稳定性证明推广证明其稳定性,同时保有常用的二阶滑模控制对系统不确定性有界外扰鲁棒性强和抖振抑制能力强的优点,同时,相比于线性滑模面的二阶滑模控制,明显缩短了系统的过渡过程并大大提高了稳态跟踪精度。文中采用二自由度机器人作为模型对设计的控制律在Matlab中进行了仿真,验证了控制律的可行性,并比较分析了控制律的控制效果。二自由度机器人的数值仿真分析证明了三种控制方法的有效性和控制性能的改善。仿真结果表明,文中设计的一阶非线性滑模控制可以解决受局部参数不确定性和有界外部扰动影响的机器人机械臂全局渐近稳定跟踪问题。受益于非线性函数的引入,所提出的一阶非线性滑模控制具有比传统线性滑模控制更快的收敛速度和更高的稳态跟踪精度,在传统滑模控制中加入非线性设计更适合机器人系统控制的控制精度要求。与二阶线性滑模控制相比,所设计的非线性二阶滑模控制能够产生更加平滑的控制作用,对不确定性和有界外部干扰具有更高的鲁棒性,并获得更快的瞬态响应速度和更高的稳态跟踪精度。本文提出的控制方法为非线性机器人高精度运动控制提供了一种有效的实用解决方案。
【学位授予单位】:西安电子科技大学
【学位级别】:硕士
【学位授予年份】:2019
【分类号】:TP242

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