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机械臂的分数阶交叉耦合同步策略研究

张鑫 张靓

张鑫,张靓. 机械臂的分数阶交叉耦合同步策略研究[J]. 机械科学与技术,2020,39(8):1184-1190 doi: 10.13433/j.cnki.1003-8728.20190256
引用本文: 张鑫,张靓. 机械臂的分数阶交叉耦合同步策略研究[J]. 机械科学与技术,2020,39(8):1184-1190 doi: 10.13433/j.cnki.1003-8728.20190256
Zhang Xin, Zhang Jing. Research on Fractional Cross-coupling Synchronization Strategy of Manipulators[J]. Mechanical Science and Technology for Aerospace Engineering, 2020, 39(8): 1184-1190. doi: 10.13433/j.cnki.1003-8728.20190256
Citation: Zhang Xin, Zhang Jing. Research on Fractional Cross-coupling Synchronization Strategy of Manipulators[J]. Mechanical Science and Technology for Aerospace Engineering, 2020, 39(8): 1184-1190. doi: 10.13433/j.cnki.1003-8728.20190256

机械臂的分数阶交叉耦合同步策略研究

doi: 10.13433/j.cnki.1003-8728.20190256
详细信息
    作者简介:

    张鑫(1978−),副教授,硕士生导师,博士,研究方向为智能控制、嵌入式设计系统,zhangx@mail.lzjtu.cn

  • 中图分类号: TP273

Research on Fractional Cross-coupling Synchronization Strategy of Manipulators

  • 摘要: 为了对机械臂各关节间进行高精度同步控制,以提高运动轨迹跟踪精度,针对机械臂单关节,提出了分数阶微积分与滑模控制相结合的位置跟踪控制策略,考虑机械臂各关节之间存在的耦合关系,提出了分数阶滑模交叉耦合控制策略。并对所提的控制策略的渐进稳定性进行了理论证明。以二关节机械臂为研究对象进行了实验验证,结果表明:利用本文提出的位置跟踪控制策略使二关节机械臂角位移调整时间分别为0.53 s、0.58 s,优于传统滑模控制策略的1.31 s、1.24 s,其位置误差的均方根误差相比传统滑模控制策略分别减小了1.6×10−4、6.51×10−4。本文所设计的分数阶滑模交叉耦合控制器使机械臂得到的输出响应的上升时间和稳定时间优于PD交叉耦合控制策略和滑模交叉耦合控制策略,且同步误差的均方根误差分别为0.022 5、0.031 6,优于PD交叉耦合的0.133、0.926和滑模交叉耦合的0.057 3、0.052 3。实验结果说明了本文所提出控制方法的有效性。
  • 图  1  传统滑模控制策略的仿真曲线

    图  2  分数阶滑模控制策略仿真曲线

    图  3  两种方法的位置误差变化曲线

    图  4  PD交叉耦合控制策略仿真曲线

    图  5  滑模交叉耦合控制策略仿真曲线

    图  6  分数阶滑模交叉耦合控制策略仿真曲线

    图  7  3种方法的同步误差变化曲线

    表  1  角位移调整时间 s

    关节传统滑模控制分数阶滑模控制
    1 1.31 0.53
    2 1.24 0.58
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    表  2  1 s后位置误差的均方根误差

    关节传统滑模控制分数阶滑模控制
    1 1.98×10−4 3.56×10−5
    2 8.65×10-4 2.14×10-4
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    表  3  上升时间 s

    关节PD交叉耦合滑模交叉耦合分数阶滑模交叉耦合
    1 0.133 0.0573 0.0225
    2 0.926 0.0523 0.0316
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    表  4  稳定时间 s

    关节PD交叉耦合滑模交叉耦合分数阶滑模交叉耦合
    1 2.271 1.403 0.231
    2 2.353 1.210 0.258
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    表  5  同步误差的均方根误差

    关节PD交叉耦合滑模交叉耦合分数阶滑模交叉耦合
    1 0.133 0.0573 0.0225
    2 0.926 0.0523 0.0316
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  • [1] 中国智能制造发展年度报告: 2020年智能制造市场将超2 200亿元[J]. 中国智能制造发展年度报告: 2020年智能制造市场将超2 200亿元[J]. 今日制造与升级, 2018,(10): 12

    Annual report on the development of intelligent manufacturing in China: The Intelligent Manufacturing Market will exceed 220 billion Yuan in 2020[J]. Annual report on the development of intelligent manufacturing in China: The Intelligent Manufacturing Market will exceed 220 billion Yuan in 2020[J]. Manufacturing and Upgrading Today, 2018,(10): 12 (in Chinese)
    [2] Galicki M. An adaptive regulator of robotic manipulators in the task space[J]. IEEE Transactions on Automatic Control, 2008, 53(4): 1058-1062 doi: 10.1109/TAC.2008.921022
    [3] Rossomando F G, Soria C M. Adaptive neural sliding mode control in discrete time for a SCARA robot arm[J]. IEEE Latin America Transactions, 2016, 14(6): 2556-2564 doi: 10.1109/TLA.2016.7555218
    [4] 王田苗, 陶永. 我国工业机器人技术现状与产业化发展战略[J]. 机械工程学报, 2014, 50(9): 1-13 doi: 10.3901/JME.2014.09.001

    Wang T M, Tao Y. Research status and industrialization development strategy of Chinese industrial robot[J]. Journal of Mechanical Engineering, 2014, 50(9): 1-13 (in Chinese) doi: 10.3901/JME.2014.09.001
    [5] Koren Y. Cross-coupled biaxial computer control for manufacturing systems[J]. Journal of Dynamic Systems, Measurement, and Control, 1980, 102(4): 265-272 doi: 10.1115/1.3149612
    [6] 储婷婷. 基于多轴耦合同步控制的机器人高精度轨迹跟踪方法研究[D]. 哈尔滨: 哈尔滨工业大学, 2015.

    Chu T T. Research on robotic high precision tracking based on multiaxial coupling synchronized control[D]. Harbin: Harbin Institute of Technology, 2015 (in Chinese).
    [7] Zhong G L, Shao Z Z, Deng H, et al. Precise position synchronous control for multi-axis servo systems[J]. IEEE Transactions on Industrial Electronics, 2017, 64(5): 3707-3717 doi: 10.1109/TIE.2017.2652343
    [8] 凌杰, 明敏, 冯朝, 等. 多轴运动系统非线性轮廓重复跟踪的主从交叉耦合迭代学习控制[J]. 自动化学报, 2017, 43(12): 2127-2140

    Ling J, Ming M, Feng Z, et al. A master-slave cross-coupled iterative learning control for repetitive tracking of nonlinear contours in multi-axis precision motion systems[J]. Acta Automatica Sinica, 2017, 43(12): 2127-2140 (in Chinese)
    [9] 邓立为, 宋申民. 基于分数阶滑模的挠性航天器姿态鲁棒跟踪控制[J]. 航空学报, 2013, 34(8): 1915-1923

    Deng L W, Song S M. Flexible spacecraft attitude robust tracking control based on fractional order sliding mode[J]. Acta Aeronautica et Astronautica Sinica, 2013, 34(8): 1915-1923 (in Chinese)
    [10] Delavari H, Ghaderi R, Ranjbar A, et al. Fuzzy fractional order sliding mode controller for nonlinear systems[J]. Communications in Nonlinear Science and Numerical Simulation, 2010, 15(4): 963-978 doi: 10.1016/j.cnsns.2009.05.025
    [11] 张碧陶, 皮佑国. 基于分数阶滑模控制技术的永磁同步电机控制[J]. 控制理论与应用, 2012, 29(9): 1193-1197

    Zhang B T, Pi Y G. Fractional order sliding-mode control for permanent magnet synchronous motor[J]. Control Theory & Applications, 2012, 29(9): 1193-1197 (in Chinese)
    [12] 李军, 管萍. 双馈风力发电机的分数阶滑模控制[J]. 北京信息科技大学学报, 2018, 33(3): 66-71

    Li J, Guan P. Fractional order sliding mode control of doubly fed induction generator[J]. Journal of Beijing Information Science & Technology University, 2018, 33(3): 66-71 (in Chinese)
    [13] 刘金琨. 机器人控制系统的设计与MATLAB仿真[M]. 北京: 清华大学出版社, 2008

    Liu J K. Design of robot control system and MATLAB simulation[M]. Beijing: Tsinghua University Press, 2008 (in Chinese)
    [14] 张俊辉, 刘斌, 蒋峥, 等. 基于改进趋近律的滑模控制在机械臂中的应用[J]. 高技术通讯, 2018, 28(6): 534-546 doi: 10.3772/j.issn.1002-0470.2018.06.007

    Zhang J H, Liu B, Jiang Z, et al. The application of sliding mode control based on improved approaching law in manipulator[J]. Chinese High Technology Letters, 2018, 28(6): 534-546 (in Chinese) doi: 10.3772/j.issn.1002-0470.2018.06.007
    [15] Lewis F L, Abdallah C T, Dawson D M. Control of robot manipulators[M]. New York: Macmillan, 1993: 64-90.
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出版历程
  • 收稿日期:  2019-01-18
  • 网络出版日期:  2020-08-26
  • 刊出日期:  2020-08-05

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