基于分数阶微积分的机械臂滑模控制的研究

doi:10.16182/j.issn1004731x.joss.18-0584

系统仿真学报 ›› 2020, Vol. 32 ›› Issue (5): 911-917.doi: 10.16182/j.issn1004731x.joss.18-0584

• 仿真模型/系统置信度评估技术 • 上一篇下一篇

基于分数阶微积分的机械臂滑模控制的研究

张鑫, 李嘉欣

兰州交通大学自动化与电气工程学院,甘肃兰州 730070

收稿日期:2018-08-30 修回日期:2019-01-19 出版日期:2020-05-18 发布日期:2020-05-15
作者简介:张鑫(1978-),男,河北邯郸,博士,副教授,研究方向为智能控制嵌入式系统设计;李嘉欣(1994-),女,黑龙江齐齐哈尔,硕士生,研究方向为智能控制。

Research on Sliding Mode Control of Robotic Arm Based on Fractional Calculus

Zhang Xin, Li Jiaxin

School of Automation & Electrical Engineering, Lanzhou Jiaotong University, Lanzhou 730070, China

Received:2018-08-30 Revised:2019-01-19 Online:2020-05-18 Published:2020-05-15

摘要/Abstract

摘要： 针对机械臂这类非线性与不确定性的系统,将分数阶微积分理论与滑模控制策略的优点相互结合,提出一种有效的分数阶滑模控制方法。在控制器的设计过程中,分别以分数阶趋近律与分数阶滑模控制律两种手段将分数阶微积分引入到滑模控制中,并运用Lyapunov理论进行证明,从而确保系统的稳定性。将提出的控制方法应用于二关节机械臂上,使用MATLAB仿真软件进行仿真验证。结果表明,所提控制策略可有效提高关节的跟踪速度与跟踪精度,控制器具有良好的有效性和鲁棒性。

关键词: 机械臂, 分数阶微积分, 分数阶趋近律, 滑模控制, Lyapunov理论

Abstract: An effective fractional order sliding mode control method is proposed for the nonlinear and uncertain robotic arm system by combining the advantages of the fractional calculus theory and the sliding mode control strategy. In the design of the controller, the fractional calculus is introduced into the sliding mode control by using the fractional order reaching law and the fractional order sliding mode control law respectively, and is proved by the Lyapunov theory to ensure the stability of the system. The proposed control method is applied to a two-joint robotic arm and is verified by the MATLAB simulation software. The results show that the proposed control strategy can effectively improve the tracking speed and tracking accuracy of the joints, and the controller is of good effectiveness and strong robustness.

Key words: robotic arm, fractional calculus, fractional order reaching law, sliding mode control, Lyapunov theory

中图分类号:

TP391.9

张鑫, 李嘉欣. 基于分数阶微积分的机械臂滑模控制的研究[J]. 系统仿真学报, 2020, 32(5): 911-917.

Zhang Xin, Li Jiaxin. Research on Sliding Mode Control of Robotic Arm Based on Fractional Calculus[J]. Journal of System Simulation, 2020, 32(5): 911-917.

参考文献 19

[1]	王春阳. 分数阶控制系统设计[M]. 北京: 国防工业出版社, 2014.Wang Chunyang.Fractional Order Control System Design[M]. Beijing: National Defense Industry Press, 2014.
[2]	栾新, 辛佳, 宋大雷, 等. 分数阶微分方程组的一种高精度数值算法[J]. 系统仿真学报, 2018, 30(2): 421-426.Luan Xin, Xin Jia, Song Dalei, et al.High Order Numerical Method for System of Fractional Differential Equations[J]. Journal of System Simulation, 2018, 30(2): 421-426.
[3]	史先鹏, 刘士荣. 机械臂轨迹跟踪控制研究进展[J]. 控制工程, 2011, 18(1): 116-122.Shi Xianpeng, Liu Shirong.A Survey of Trajectory Control for Robot Manipulators[J]. Control Engineering of China, 2011, 18(1): 116-122.
[4]	马莉丽, 蒋猛. 基于名义模型的机械手PI鲁棒滑模控制研究[J]. 西南大学学报(自然科学版), 2016, 38(12): 133-139.Ma Lili, Jiang Meng.PI Robust Sliding Mode Control of Manipulator Based on Nominal Model[J]. Journal of Southwest University (Natural Science), 2016, 38(12): 133-139.
[5]	牟宏均. 多关节工业机器人发展趋势探讨[J]. 自动化技术与应用, 2017, 36(10): 8-11.Mou Hongjun.Development Trend of Multi Joint Industrial Robot[J]. Automation Technology and Applications, 2017, 36(10): 8-11.
[6]	胡盛斌. 非线性多关节机械人系统滑模控制[M]. 北京: 国防工业出版社, 2015.Hu Shengbin.Sliding Mode Control of Nonlinear Multi Joint Robot System[M]. Beijing: National Defense Industry Press, 2015.
[7]	张碧陶, 皮佑国. 基于模糊分数阶滑模控制的永磁同步电机控制[J]. 华南理工大学学报(自然科学版), 2012, 40(3): 126-130.Zhang Bitao, Pi Youguo.PMSM Control Based on Fuzzy Fractional Sliding Mode Control[J]. Journal of South China University of Technology (Natural Science Edition), 2012, 40(3): 126-130.
[8]	Dadras S, Momeni H R.Fractional Terminal Sliding Mode Control Design for a Class of Dynamical Systems with Uncertainty[J]. Communications in Nonlinear Science & Numerical Simulation (S1007-5704), 2012, 17(1): 367-377.
[9]	Zhang B T, Pi Y G, Luo Y.Fractional Order Sliding-mode Control Based on Parameters Auto-tuning for Velocity Control of Permanent Magnet Synchronous Motor[J]. Isa Transactions (S0019-0578), 2012, 51(5): 649-656.
[10]	Huang J, Li H, Chen Y Q, et al.Robust Position Control of PMSM Using Fractional-Order Sliding Mode Controller[J]. Abstract & Applied Analysis (S1085-3375), 2014, 2012(4): 473-505.
[11]	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 Liwei, Song Shenmin.Robust Attitude Tracking Control for Flexible Spacecraft Based on Fractional Sliding Mode[J]. Acta Aeronautica et Astronautica Sinica, 2013, 34(8): 1915-1923.
[12]	赵志诚, 赵志涛, 张井岗, 等. 直流调速系统的改进型分数阶滑模控制[J]. 系统仿真学报, 2018, 30(3): 1096-1101.Zhao Zhicheng, Zhao Zhitao, Zhang Jinggang, et al.Modified Fractional Order Sliding Model Control for DC Speed Regulating System[J]. Journal of System Simulation, 2018, 30(3): 1096-1101.
[13]	赵春娜, 赵雨, 张祥德, 等. 分数阶控制器与整数阶控制器仿真研究[J]. 系统仿真学报, 2009, 21(3): 768-771.Zhao Chunna, Zhao Yu, Zhang Xiangde, et al.Simulation Research on Fractional Order Controllers with Integer Order Controllers[J]. Journal of System Simulation, 2009, 21(3): 768-771.
[14]	于昊天, 时宝. 非线性系统分数阶滑模控制分析与设计[J]. 海军航空工程学院学报, 2016, 31(4): 407-414.Yu Haotian, Shi Bao.Fractional Sliding Mode Control Analysis and Design for Nonlinear Systems[J]. Journal of Naval Aeronautical and Astronautical University, 2016, 31(4): 407-414.
[15]	刘金琨. 滑模变结构控制MATLAB仿真[M]. 北京: 清华大学出版社, 2015.Liu Jinkun.Sliding mode variable structure control MATLAB simulation[M]. Beijing: Tsinghua University press, 2015.
[16]	Li Y, Chen Y Q, Podlubny I.Technical Communique: Mittag-Leffler Stability of Fractional Order Nonlinear Dynamic Systems[J]. Automatica (S0005-1098), 2009, 45(8): 1965-1969.
[17]	刘金锟. 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 Jinkun.Design of Robot Control System and MATLAB Simulation[M]. Beijing: Tsinghua University press, 2008.
[18]	Tepljakov A, Petlenkov E, Belikov J.FOMCON: Fractional-order Modeling and Control Toolbox for MATLAB[C]// International Conference Mixed Design of Integrated Circuits and Systems - Mixdes. Gliwice, Poland: IEEE, 2011: 684-689.
[19]	穆效江, 陈阳舟, 张利国. 多关节机器人的全局快速终端模糊滑模控制[J]. 系统仿真学报, 2008, 20(15): 4085-4088.Mu Xiaojiang, Chen Yangzhou, Zhang Liguo.Global Terminal Fuzzy Sliding Mode Control for Multi-link Robot Manipulators[J]. Journal of System Simulation, 2008, 20(15): 4085-4088.

基于分数阶微积分的机械臂滑模控制的研究

Research on Sliding Mode Control of Robotic Arm Based on Fractional Calculus

PDF (PC)

可视化

摘要/Abstract

引用本文

使用本文

参考文献 19

相关文章 15

编辑推荐

Metrics

本文评价

[1]	杜宝林, 朱大昌, 盘意华. 机械臂模糊超螺旋二阶滑模轨迹跟踪控制[J]. 系统仿真学报, 2022, 34(6): 1343-1352.
[2]	刘文正, 张和明. 面向复杂系统运动仿真的信息物理融合建模[J]. 系统仿真学报, 2022, 34(5): 954-963.
[3]	赵静, 王鹏, 丁筱茜, 蒋国平, 徐丰羽, 孙雁飞. 基于观测器的四旋翼容错控制及仿真研究[J]. 系统仿真学报, 2022, 34(1): 1-10.
[4]	桂欣冬, 吉鸿江, 范玲玲, 刘世达. 信任驱动的自适应协调控制算法及应用[J]. 系统仿真学报, 2021, 33(8): 1809-1817.
[5]	张瑞民, 陈巧玉. 基于光滑二阶滑模的机械臂轨迹跟踪控制[J]. 系统仿真学报, 2021, 33(6): 1315-1322.
[6]	王伟, 陈志梅, 王贞艳. 直角坐标机器人补偿滑模交叉耦合控制研究[J]. 系统仿真学报, 2021, 33(4): 867-874.
[7]	司玉洁, 熊华, 李喆. 拦截机动目标的三维自适应神经网络制导律[J]. 系统仿真学报, 2021, 33(2): 453-460.
[8]	蒋泽睿, 杨立军, 李俊, 焦晓龙, 郑航. 自动跟踪口腔手术灯的运动学分析与仿真[J]. 系统仿真学报, 2021, 33(12): 2864-2879.
[9]	范存礼, 戴娟, 刘海涛, 苏中, 朱翠, 徐文婷. 基于神经网络与分数阶滑模的行星进入段轨迹跟踪控制[J]. 系统仿真学报, 2021, 33(11): 2697-2703.
[10]	韩凯伟, 王艳, 纪志成. 一种直线感应电机的新型积分滑模控制器的设计与仿真[J]. 系统仿真学报, 2020, 32(11): 2146-2154.
[11]	米根锁, 梁骅旗. 基于干扰观测器的机械臂非线性滑模控制[J]. 系统仿真学报, 2019, 31(9): 1935-1941.
[12]	王刚, 孙太任, 丁胜培. 动态受限机械臂的局部加权学习控制[J]. 系统仿真学报, 2019, 31(4): 733-739.
[13]	李宪华, 石雪松, 吕磊, 张雷刚, 宋韬. 基于全局可操作度的6R机械臂尺寸优化方法[J]. 系统仿真学报, 2019, 31(12): 2569-2574.
[14]	王素珍, 孙国法, 刘胜荣. 时滞系统自抗扰滑模控制[J]. 系统仿真学报, 2019, 31(1): 102-109.
[15]	尹凤杰, 杨晖, 张颖. P2P-TV流媒体系统鲁棒自适应速率控制算法及仿真[J]. 系统仿真学报, 2019, 31(1): 120-126.