1、Chapt 19機(jī)器人憑結(jié)構(gòu)控制張建瓠變結(jié)構(gòu)控制特點(diǎn)是：在動(dòng)態(tài)控制過(guò)程中，系統(tǒng)的結(jié)構(gòu) 根據(jù)系統(tǒng)當(dāng)時(shí)的狀態(tài)偏差及其各階導(dǎo)數(shù)的變化，以躍 變的方式按設(shè)定的規(guī)律作相應(yīng)改變，它是一類(lèi)特殊的 非線(xiàn)性控制系統(tǒng)?；Ｗ兘Y(jié)構(gòu)控制就是其中一種，該類(lèi)控制系統(tǒng)預(yù)先在 狀態(tài)空間設(shè)定一個(gè)特殊的超越曲面，由不連續(xù)的控制 規(guī)律，不斷變換控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，使其沿著這個(gè)特定的 超越曲面向平衡點(diǎn)滑動(dòng)，最后漸近穩(wěn)定至平衡點(diǎn)。(1) 對(duì)于系統(tǒng)參數(shù)的時(shí)變規(guī)律、非線(xiàn)性程度以及外界干擾等不需要精確的數(shù)學(xué)模型，只要知道它們的變化范圍，就 能對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行精確的軌跡跟蹤控制。(2) 控制器設(shè)計(jì)對(duì)系統(tǒng)內(nèi)部的耦合不必作專(zhuān)門(mén)解耦。因?yàn)?設(shè)計(jì)過(guò)程本身就是解耦

2、過(guò)程，因此在多輸入多輸出系統(tǒng)中, 多個(gè)控制器設(shè)計(jì)可按各自獨(dú)立系統(tǒng)進(jìn)行，其參數(shù)選擇也不 是十分嚴(yán)格的。(3) 系統(tǒng)進(jìn)入滑態(tài)后，它對(duì)系統(tǒng)參數(shù)及擾動(dòng)變化反應(yīng)遲鈍, 始終沿著設(shè)定滑線(xiàn)運(yùn)動(dòng)，因而具有很強(qiáng)的魯棒性。(4) 滑模變結(jié)構(gòu)控制系統(tǒng)快速性好，無(wú)超調(diào)，計(jì)算量小， 實(shí)時(shí)性強(qiáng)，很適合于機(jī)器人控制。變結(jié)構(gòu)系統(tǒng)(VSS, variable structure system)指 的變結(jié)構(gòu)具有兩種含義，即：(1) 系統(tǒng)各部分間的連接關(guān)系發(fā)生變化；(2) 系統(tǒng)的參數(shù)產(chǎn)生變化。憑結(jié)構(gòu)控制與自變結(jié)構(gòu)系統(tǒng)控制與一般程序控制和自適應(yīng)控制是不同的： 程序控制在系統(tǒng)運(yùn)行過(guò)程中改變系統(tǒng)結(jié)構(gòu)是預(yù)先設(shè)定好的； 而變結(jié)構(gòu)控制中，系統(tǒng)

3、結(jié)構(gòu)的改變是根據(jù)誤差及其導(dǎo)數(shù)的變 化情況來(lái)確定的。自適應(yīng)控制雖然也是根據(jù)誤差來(lái)改變系統(tǒng)的參數(shù)，但是這種 改變是漸變的過(guò)程，而變結(jié)構(gòu)控制中參數(shù)的改變是個(gè)突變的 過(guò)程?？刂茖?duì)象參數(shù)不變化，自適應(yīng)控制逐漸退化為定?？刂疲?變結(jié)構(gòu)控制并不會(huì)退化到定?？刂疲冀K保持變結(jié)構(gòu)控制?？紤]一般非線(xiàn)性動(dòng)態(tài)系統(tǒng):y o若上式得以滿(mǎn)足，則不管系統(tǒng)的初態(tài)如何（即初始相點(diǎn) 在何處），系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)相點(diǎn)首先被“吸引”到*0開(kāi)關(guān)面 上，然后沿著開(kāi)關(guān)面運(yùn)動(dòng)到原點(diǎn)。也就是說(shuō)，該系統(tǒng)是 大范圍內(nèi)漸近穩(wěn)定的。這可以通過(guò)李雅普諾夫穩(wěn)定性理 論得到證實(shí)。以上分析可看出，系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)過(guò)程分為兩段：第一段（0心）運(yùn)動(dòng)相點(diǎn)從初態(tài)開(kāi)始運(yùn)動(dòng)到開(kāi)關(guān)面上

4、；第二段（以后）運(yùn)動(dòng)相點(diǎn)沿開(kāi)關(guān)面繼續(xù)運(yùn)動(dòng)到穩(wěn)態(tài)值。 17.2機(jī)霍人的滑棋變結(jié)構(gòu)控制機(jī)器人的滑模(sliding mode)變結(jié)構(gòu)控制系統(tǒng)的一般結(jié)構(gòu) 如圖所示。擾動(dòng)罕-含有個(gè)關(guān)節(jié)的機(jī)械手動(dòng)力學(xué)模型：T = DQqq + 0(佔(zhàn)帀+ qGgq設(shè)整個(gè)系統(tǒng)的滑動(dòng)曲面為：S = S,S”T = E + HE對(duì)給定軌跡7,d的第斤關(guān)節(jié)分量的表示式為：5 = a + hs e,= 一斗,ht =常數(shù)0(t = 1, )得控制律為：IVr, =+】九了工+門(mén) 九&(+刀一工(卄以)CiSgn(Sf)-1滑摸變結(jié)構(gòu)控制是一種簡(jiǎn)單實(shí)用設(shè)計(jì)方法，可直接根據(jù) 李亞普諾夫函數(shù)來(lái)確定控制力矩7；使系統(tǒng)狀態(tài)趨于漸近 穩(wěn)定。

5、線(xiàn)性化后機(jī)器人動(dòng)力學(xué)模型可表示為：Q = q。= 一 +取滑動(dòng)曲面為:7= 7+/&gn(s)5； = e + A,e, = W詔)+ 尼(G qG, z 173控制力矩7%：下面給出軌跡跟蹤滑模變結(jié)構(gòu)控制系統(tǒng)的設(shè) 計(jì)方法，包括控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性和抗干擾性 能分析，及仿真實(shí)驗(yàn)。仿真結(jié)果表明，采用滑模變結(jié)構(gòu)控制的機(jī)器 人軌跡跟蹤控制系統(tǒng)的自適應(yīng)能力得到了顯 著的提高?；Ｗ兘Y(jié)構(gòu)控制方法比較適合于機(jī)器人控制。首先，變結(jié)構(gòu)控制不需要被控對(duì)象的精確數(shù)學(xué)模型， 只要知道模型中參數(shù)的變化范圍即可；而對(duì)于機(jī)器人 來(lái)說(shuō)，往往難以得到精確的數(shù)學(xué)模型，但可以大致估 計(jì)出各參數(shù)的變化范圍。其次，滑模變結(jié)構(gòu)控制對(duì)一類(lèi)有界干擾和參數(shù)變化具 有不敏感性，對(duì)于機(jī)器人控制比較有利，可以削弱由 于負(fù)載變化或隨機(jī)干擾對(duì)系統(tǒng)控制性能的影響。一、控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)對(duì)于滋連桿5關(guān)節(jié))機(jī)器人，其動(dòng)力學(xué)方程式當(dāng)存在隨 機(jī)干擾時(shí)，變?yōu)椋? H Jq、qq + G(g) = 丁 + r滑模變結(jié)構(gòu)控制律為：t = Y】(q D$ HS 一 S二、控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性分析取李雅普諾夫函數(shù)為：V = stDS +Wck/4 J x三、仿真研究以圖所示的二關(guān)節(jié)機(jī)器人為例, 模變結(jié)構(gòu)控制。研究機(jī)器人軌跡跟蹤的滑假設(shè)：(1) 二關(guān)節(jié)機(jī)器人的兩 剛性連桿(長(zhǎng)度d，l2) 的質(zhì)量(加1，加2)集中在 桿的終端；(2) 忽略機(jī)器人關(guān)節(jié)的