基于滑模变结构的输入成形控制方法研究

作     者：吴忠伟 

作者单位：长春工业大学 

学位级别：硕士

导师姓名：刘克平

授予年度：2013年

学科分类：080202[工学-机械电子工程] 08[工学] 0804[工学-仪器科学与技术] 0835[工学-软件工程] 0802[工学-机械工程] 080201[工学-机械制造及其自动化] 

主      题：输入成形 滑模变结构控制 柔性机械臂 振动抑制 轨迹跟踪 

摘      要：随着科技的发展和社会的不断进步,机器人技术也在不断的产生着日新月异的变化,被越来越多的应用到机械制造业、航空航天、电子工业、汽车工业当中。柔性机械臂是机器人研究中的一类典型机械臂,目前得到了越来越多专家和学者们的普遍重视和研究。与刚性机械臂相比,柔性机械臂具有质量轻、运动速度快、能耗低等优点。由于柔性机械臂是一个大范围的刚性运动和小幅度的弹性振动相互耦合、时变的复杂非线性系统,因此如何控制机械臂的振动并获得精确的定位引起了国内外许多研究者的兴趣。特别是在工程机械、航空航天等领域对系统控制的精确性和安全性要求较高,因此采取可行有效的方法抑制系统的振动使柔性机械臂能够很好的完成定位跟踪是首要解决的关键性问题。 首先,本文针对在水平面内运动的单连杆柔性机械臂系统,基于假设模态法对柔性系统进行离散化,然后应用Lagrange方程对系统进行动力学建模。通过分析研究,建立系统的动力学方程和振动方程。 其次,本文针对单连杆柔性机械臂轨迹跟踪控制问题采用了滑模变结构控制算法。使系统的运动点能够从任意状态在有限的时间内到达滑模面,最后稳定地趋于平衡点。设计了滑模超平面和控制律,通过Lyapunov函数证明了系统的稳定性,验证了滑模变结构控制算法对系统参数摄动和外界环境干扰等因素具有很强的鲁棒性。考虑到输入成形技术对柔性机械臂系统振动的控制作用,本文采用基于滑模变结构的输入成形控制方法对单连杆柔性机械臂进行控制。重点研究了输入成形技术的基本原理、设计方法、鲁棒性分析和应用领域。并采用本文提出的控制方法使柔性机械臂能够按照预定的轨迹运动,并且振动得到抑制最终达到使机械臂精确定位的目的。 最后,利用matlab软件进行仿真实验分析,证明本文所提方法的有效性。