東華理工大學(xué)機(jī)械與電子工程學(xué)院 席亞軍 夏 洪 田雪豐

基于R B F神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的滑模變結(jié)構(gòu)機(jī)器手控制

東華理工大學(xué)機(jī)械與電子工程學(xué)院 席亞軍 夏 洪 田雪豐

一般而言，我們通過設(shè)定機(jī)器手各關(guān)節(jié)的驅(qū)動(dòng)力矩進(jìn)一步對(duì)機(jī)器手軌跡進(jìn)行跟蹤控制，在這種很費(fèi)力的方法下來使得機(jī)械手的運(yùn)動(dòng)逼近期望軌跡[1]。不可避免的是大量實(shí)踐表明抖動(dòng)還是會(huì)普遍產(chǎn)生，會(huì)在機(jī)械手啟動(dòng)的時(shí)候產(chǎn)生很大的影響，我在閱讀及分析大量文獻(xiàn)的前提下，應(yīng)用新型的基于RBF神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的新型滑模變結(jié)構(gòu)機(jī)器手軌跡跟蹤控制方法，最終的結(jié)果，還是通過MATLAB進(jìn)行仿真，依據(jù)仿真可以看出這種新型結(jié)構(gòu)可以很好的降低抖振。

滑模；變結(jié)構(gòu)；RBF神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)；期望軌跡；抖振；MATLAB仿真

0 引言

機(jī)器人的穩(wěn)定控制系統(tǒng)在機(jī)器人設(shè)計(jì)中起到非常重要作用，在設(shè)計(jì)中需選用哪種穩(wěn)定的控制方案，我們應(yīng)視具體的被控對(duì)象還有環(huán)境作為依據(jù)。很早時(shí)候國外專家Utkin完整的提出了滑模(Slide Mode)變結(jié)構(gòu)控制，在當(dāng)時(shí)技術(shù)條件下他們主要是依靠開關(guān)的切換進(jìn)一步的實(shí)現(xiàn)改變系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，從而一點(diǎn)一點(diǎn)的到達(dá)均衡點(diǎn)[1]。不可否認(rèn)的是原理上不可避免變結(jié)構(gòu)開關(guān)抖振，通過大量的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)及分析可知不能徹底地去掉它，所以在當(dāng)時(shí)的技術(shù)條件下僅僅相對(duì)的削弱一小部分，可以這么說，系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能的好壞也是由抖振的大小決定的。

1 變結(jié)構(gòu)基本原理

通過實(shí)驗(yàn)研究只要能夠滿足系統(tǒng)的穩(wěn)定性標(biāo)準(zhǔn)，設(shè)計(jì)者在設(shè)計(jì)滑模面時(shí)可以提出有差別很大的設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)，這些其實(shí)不是多重要，然則不管何種滑模面都很大程度地影響系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性。我們首先建立恰當(dāng)?shù)脑砟Ｐ?，令線性滑模、非線性滑模的形式為：

在以上的公式中定義c為滑模系數(shù)，x為系統(tǒng)狀態(tài)[2]。基于前人的分析及其后續(xù)的工作研究，不難發(fā)現(xiàn)抖振產(chǎn)生的根本是系統(tǒng)在運(yùn)動(dòng)的時(shí)候，當(dāng)運(yùn)動(dòng)點(diǎn)一點(diǎn)一點(diǎn)的靠近切換面的時(shí)候，自然界中慣性的存在不可避免的使運(yùn)動(dòng)點(diǎn)不僅到達(dá)切換面而且還穿透了，抖振就這樣不可避免的發(fā)生了，故我設(shè)計(jì)采用基于RBF神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)方法進(jìn)一步消弱抖振。

2 軌跡跟蹤控制

3 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)滑模控制及其仿真

本節(jié)采納RBF神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)來實(shí)現(xiàn)減弱抖振的問題。徑向基函數(shù)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)(RBF)是一前饋網(wǎng)絡(luò)，現(xiàn)如今隨著技術(shù)的發(fā)展，其適應(yīng)于生產(chǎn)生活的各個(gè)方面范疇。RBF網(wǎng)絡(luò)滑模變結(jié)構(gòu)控制如圖1所示。

圖1 RBF神經(jīng)滑模控制器

對(duì)于RBF神經(jīng)滑?？刂频乃惴?，為了更好的看出實(shí)驗(yàn)仿真效果及以后更加優(yōu)異的改進(jìn)，故此先設(shè)計(jì)采用一個(gè)力臂機(jī)器手當(dāng)作為被控對(duì)象[3]，我們基于以上的分析可以很容易的得出單力臂機(jī)械手的動(dòng)力學(xué)模型為：

圖2 關(guān)節(jié)位置跟蹤及其控制量

仿真表明加了RBF網(wǎng)絡(luò)的控制系統(tǒng)，其降低了輸入控制量的大小，同時(shí)降低了系統(tǒng)起始時(shí)刻的控制量，其實(shí)在部分工業(yè)領(lǐng)域中即使在很小的時(shí)間內(nèi)，這個(gè)時(shí)間短到在機(jī)械領(lǐng)域中可以忽略，但是卻也會(huì)產(chǎn)生很大的影響。就是這個(gè)條件下使機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)點(diǎn)到達(dá)滑模面上，可以很快的復(fù)位到平衡點(diǎn)。不言而喻的是通過我這種RBF網(wǎng)絡(luò)滑模控制器的新型設(shè)計(jì)可以很大程度的降低抖振，下一步只要我們充分的利用這種設(shè)計(jì)可以更好的改善機(jī)器人的一些特點(diǎn)性能及其應(yīng)用于生產(chǎn)生活中。

4 總結(jié)

本文從理論分析開始，不斷的提出新型的設(shè)計(jì)方案，不斷的驗(yàn)證。查閱大量資料得出更加實(shí)用的知識(shí)。我大量的論述了滑模變結(jié)構(gòu)的基本原理及在生產(chǎn)生活中可能會(huì)出現(xiàn)的部分問題，及如何解決這些無法避免的問題。選用新型的未來會(huì)有更多應(yīng)用的機(jī)械手作為本設(shè)計(jì)的研究對(duì)象。經(jīng)過大量的數(shù)據(jù)得出基于RBF神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的滑模變結(jié)構(gòu)機(jī)器手軌跡跟蹤控制方法，其真正的應(yīng)用領(lǐng)域在以后的進(jìn)一步更加完善的改進(jìn)之后會(huì)大面積的普及，從仿真中可以看出系統(tǒng)在穩(wěn)態(tài)性和定位精度方面得到了相當(dāng)可觀的提高。

[1]劉金琨．機(jī)器人控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與MATLAB仿真[M]．北京:清華大學(xué)出版社,2005．

[2]張裊娜,馮勇,孫黎霞．雙臂柔性機(jī)械手的終端滑?？刂芠J]．控制與決策,2004,109(10):1142-1146．

[3]劉金琨．滑模變結(jié)構(gòu)控制MATLAB仿真[M]．北京:清華大學(xué)出版社,2005．

夏洪（1958—），江西撫州人，副教授。

席亞軍（1992—），江蘇徐州人，碩士研究生。