机器人系统的鲁棒自适应滑模控制研究
机器人系统的鲁棒自适应滑模控制研究[20191213110257]
本人签名： 日期： 摘 要
智能结构是指在基体结构中使用压电材料做为传感和驱动元件的新型结构，它不仅具有自感知、自适应、自诊断和自修复的优点，而且还具有集传感和驱动 一体化的优越特性。它是一个由材料科学、机械工程、控制科学、计算机科学等 多学科交叉而成的新兴课题。近年来，智能结构的研究己引起世界主要发达国家 的极大重视。智能结构振动控制技术已被广泛应用到军事、机械、医学、民用产 品上。
压电材料也作为一种智能结构是指受到压力作用时会在两端面间出现电压的晶体材料。压电材料可以因机械变形产生电场，也可以因电场作用产生机械变形，这种固有的机-电耦合效应使得压电材料在工程中得到了广泛的应用。例如，压电材料已被用来制作智能结构，此类结构除具有自承载能力外,还具有自诊断性、自适应性和自修复性等功能，近年来，压电材料作为一种新型的智能材料，以其良好的机电耦合特性，在结构振动控制领域得到了广泛应用。
本文以基于压电材料的机器人悬臂梁自适应滑模振动系统为研究对象，利用压电材料的正、逆压电效应，推导了机器人悬臂梁的数学模型推及其滑模自适应率并进行了证明，采用Matlab/Simulink软件对控制系统进行计算机仿真实验，得到了一些有意义的结论，实验结果表明本文研究的控制系统改善了机器人悬臂梁的动态特性，提高了系统的鲁棒性。
查看完整论文请+Q: 351916072
关键字:智能结构；压电材料；悬臂梁；自适应滑模控制
robust sliding-mode control目 录
摘 要 I
Abstract II
第1章 绪论 1
1.1机器人 1
1.1.2机器人的工作原理 2
1.1.3 机器人的发展 3
1.1.4 机器人的特点 3
1.2 压电材料简介 3
1.3 Matlab/Simulink 5
1.3.1简介 5
1.3.2 发展历程 6
1.3.3 主要功能： 6
1.3.4 特点 7
1.4鲁棒自适应滑模控制介绍 7
1.4.1鲁棒控制 7
1.4.2自适应控制 9
1.4.3滑模控制 10
1.5本文的研究意义及主要工作 11
1.5.1本文的研究意义 11
1.5.2本文的主要工作 13
第2章 基于压电材料的机器人悬臂梁的数学模型 14
2.1基于压电材料的机器人悬臂梁系统数学模型的建立 14
2.1.1悬臂梁 14
2.1.2压电智能悬臂梁的本构方程 14
2.1.3 传感方程 15
2.1.4 驱动原理 16
2.2基于压电材料的机器人悬臂梁动力学方程 17
第3章 基于压电材料的机器人悬臂梁控制方案 20
3.1控制系统的设计 20
3.1.1关于李雅普诺夫(Lyapunov)稳定性第二方法 20
3.1.2控制系统的设计 21
3.2滑模自适应控制率的设计及分析 21
3.3系统的Matlab/Simulink仿真 23
第4章 总结与展望 29
4.1 总 结 29
4.2 展 望 29
参考文献 30
致谢 34
第1章 绪论
本章主要介绍了机器人的发展、工作原理、特点，压电材料的简介、Matlab简介以及鲁棒自适应滑模控制并概括了本文的研究意义及主要工作。
1.1机器人
1.1.1机器人发展概述
机器人（Robot）是自动执行工作的机器装置 。它既可以接受人类指挥，又可以运行预先编排的程序，也可以根据以人工智能 技术制定的原则纲领行动。它的任务是协助或取代人类工作的工作，例如生产业、建筑业，或是危险的工作。
机器人是高级整合控制论、机械电子、计算机、材料和仿生学的产物。在工业 、医学、农业 、建筑业甚至军事 等领域中均有重要用途。
机器人是高级整合控制论、机械电子、计算机、材料和仿生学的产物。在工业、医学、农业、建筑业甚至军事等领域中均有重要用途。现在，国际上对机器 人的概念已经逐渐趋近一致。一般来说，人们都可以接受这种说法，即机器人是靠自身动力 和控制能力来实现各种功能的一种机器。联合国标准化组织采纳了美国机器人协会给机器人下的定义：“一种可编程 和多功能的操作机；或是为了执行不同的任务而具有可用电脑改变和可编程 动作的专门系统。”它能为人类带来许多方便之处！
机器人一般由执行机构、驱动装置、检测装置和控制系统和复杂机械等组成。
机器人能力的评价标准包括：智能，指感觉和感知，包括记忆、运算、比较、鉴别、判断、决策、学习和逻辑推理 等；机能，指变通性、通用性或空间占有性等；物理能，指力、速度、可靠性、联用性和寿命等。因此，可以说机器人就是具有生物功能的实际空间运行工具，可以代替人类完成一些危险或难以进行的劳作、任务等。
机器人的设计和制造在过去十几年内得到了广泛的研究，文献全面回顾了前人在高品质、低成本机器人上的努力和成果，同时提到了机器人的准确度在不断提高，而成本在不断下降的态势，而且这种趋势还在继续。
图1.1 机器人
1.1.2机器人的工作原理
从最基本的层面来看，人体包括五个主要组成部分：身体结构，肌肉系统，用来移动身体结构；感官系统，用来接收有关身体和周围环境的信息；能量源，用来给肌肉和感官提供能量；大脑系统，用来处理感官信息和指挥肌肉运动。
机器人的组成部分与人类极为类似。一个典型的机器人有一套可移动的身体结构、一部类似于马达的装置、一套传感系统、一个电源和一个用来控制所有这些要素的计算机“大脑”。从本质上讲，机器人是由人类制造的“动物”，它们是模仿人类和动物行为的机器。机器人是“能自动工作的机器”，它们有的功能比较简单，有的就非常复杂，但必须具备以下三个特征：
（1）身体是一种物理状态，具有一定的形态，机器人的外形究竟是什么样子，这取决于人们想让它做什么样的工作，其功能设定决定了机器人的大小、形状、材质和特征等等。
（2）大脑就是控制机器人的程序或指令组，当机器人接收到传感器的信息后，能够遵循人们编写的程序指令，自动执行并完成一系列的动作。控制程序主要取决于下面几种因素：使用传感器的类型和数量，传感器的安装位置，可能的外部激励以及需要达到的活动效果。
（3）动作就是机器人的活动，有时即使它根本不动，这也是它的一种动作表现，任何机器人在程序的指令下要执行某项工作，必定是靠动作来完成的。
1.1.3 机器人的发展
智能型机器人是最复杂的机器人，也是人类最渴望能够早日制造出来的机器朋友。然而要制造出一台智能机器人并不容易，仅仅是让机器模拟人类的行走动作，科学家们就要付出了数十甚至上百年的努力。
1.1.4 机器人的特点
机器人的特点可概括为：横向上，应用面越来越宽。由95%的工业应用扩展到更多领域的非工业应用。像做手术、采摘水果、剪枝、巷道掘进、侦查、排雷，还有空间机器人、潜海机器人。机器人应用无限制，只要能想到的，就可以去创造实现； 纵向上，机器人的种类会越来越多，像进入人体的微型机器人，已成为一个新方向，可以小到像一个米粒般大小；机器人智能化得到加强，机器人会更加聪明。
1.2 压电材料简介
压电材料在一定温度环境中被电场极化后，材料中的晶体以电场极化方向的晶粒为主，但部分晶粒仍然偏离电场极化方向，从而存在剩余极化强度，并以偶极矩的形式表现出来．当对压电材料施加机械变形时，剩余极化强度将因材料的变形而发生变形，引起材料内部正负电荷中心相对移动产生电极化，从而导致材料2个表面上出现符号相反的束缚电荷，电荷密度与外力成正比，这种现象称为正压电效应[][]。正压电效应反映了压电材料具有将机械能转化为电能的能力。检测出压电元件上电荷的变化，即可得知压电元件处的变形量，利用压电材料的正压电效应，可将其制成结构振动控制或结构健康监测中的智能传感器．与此相反，当在压电材料上接通电流，所有晶粒极化方向趋于电场方向，造成压电元件内部正负电荷中心的相对位移，导致压电材料的变形，这种现象称为逆压电效应[3][4]。逆压电效应反映了压电材料具有将电能转化为机械能的能力。利用压电材料的逆压电效应，可将其制成结构振动控制中的智能驱动器[5]。压电材料在工程上的应用非常广泛，可用来进行结构振动控制、结构健康监控、威胁预警、智能机翼以及噪声控制等等。在土木工程中，可用来进行结构健康监测与诊断、结构灾害反应控制以及结构损伤智能修复等等。
柔性结构的振动控制研究已成为当前动力学领域的前沿课题，压电材料由于具有良好的机电耦合性能，广泛应用于结构振动控制系统中[6]。压电悬臂梁结构简单，且有着广泛的工程背景，为振动主动控制的理论研究提供了一个易于实现的物理平台[7]。
本文使用的压电材料是压电智能结构的基础元件，由于具有诸多优点而在智能结构中得到了广泛的应用。压电材料具有以下优点[8][9]：
（1） 压电材料是一种具有力-热-电耦合材质的智能材料，它能通过材料的正、逆压电效应实现能量的转换。压电材料同时具有正压电效应和负压电效应使得它能够同时承担起传感器和作动器的功能。
（2） 频率响应宽。
（3） 压电效应具有较好的线性关系。压电本构方程中的应力、应变、电场强度、电位移等物理量之间均为线性关系。
（4） 压电材料的输入和输出均为电信号，容易测量和观测。
（5） 压电材料的功耗与其他智能材料相比较小。
（6） 压电材料易于加工和裁剪，可以根据需要加工成任何厚度、任意大小及任意形状的压电片。
（7） 压电材料在柔性结构中的控制中作为传感器时不需要参考点，作控制器时不需要支撑点。
（8） 压电传感器具有后处理电路并且调试简单，受温度影响也较小。
（9） 压电材料的制备技术日趋成熟。
1.3 Matlab/Simulink
1.3.1简介
MATLAB是由美国mathworks公司发布的主要面对科学计算、可视化以及交互式程序设计 的高科技计算环境。它将数值分析 、矩阵计算 、科学数据可视化以及非线性 动态系统的建模 和仿真等诸多强大功能集成在一个易于使用的视窗环境中，为科学研究、工程设计以及必须进行有效数值计算 的众多科学领域 提供了一种全面的解决方案，并在很大程度上摆脱了传统非交互式程序设计语言 （如C、Fortran）的编辑模式，代表了当今国际科学计算软件的先进水平[10][11]。
MATLAB和Mathematica、Maple 、MathCAD 并称为四大数学 软件。它在数学 类科技应用软件中在数值计算 方面首屈一指。MATLAB可以进行矩阵 运算、绘制函数 和数据、实现算法 、创建用户界面、连接其他编程语言 的程序等，主要应用于工程计算、控制设计、信号处理 与通讯、图像处理 、信号检测 、金融建模 设计与分析等领域 [12]。
本人签名： 日期： 摘 要
智能结构是指在基体结构中使用压电材料做为传感和驱动元件的新型结构，它不仅具有自感知、自适应、自诊断和自修复的优点，而且还具有集传感和驱动 一体化的优越特性。它是一个由材料科学、机械工程、控制科学、计算机科学等 多学科交叉而成的新兴课题。近年来，智能结构的研究己引起世界主要发达国家 的极大重视。智能结构振动控制技术已被广泛应用到军事、机械、医学、民用产 品上。
压电材料也作为一种智能结构是指受到压力作用时会在两端面间出现电压的晶体材料。压电材料可以因机械变形产生电场，也可以因电场作用产生机械变形，这种固有的机-电耦合效应使得压电材料在工程中得到了广泛的应用。例如，压电材料已被用来制作智能结构，此类结构除具有自承载能力外,还具有自诊断性、自适应性和自修复性等功能，近年来，压电材料作为一种新型的智能材料，以其良好的机电耦合特性，在结构振动控制领域得到了广泛应用。
本文以基于压电材料的机器人悬臂梁自适应滑模振动系统为研究对象，利用压电材料的正、逆压电效应，推导了机器人悬臂梁的数学模型推及其滑模自适应率并进行了证明，采用Matlab/Simulink软件对控制系统进行计算机仿真实验，得到了一些有意义的结论，实验结果表明本文研究的控制系统改善了机器人悬臂梁的动态特性，提高了系统的鲁棒性。
查看完整论文请+Q: 351916072
关键字:智能结构；压电材料；悬臂梁；自适应滑模控制
robust sliding-mode control目 录
摘 要 I
Abstract II
第1章 绪论 1
1.1机器人 1
1.1.2机器人的工作原理 2
1.1.3 机器人的发展 3
1.1.4 机器人的特点 3
1.2 压电材料简介 3
1.3 Matlab/Simulink 5
1.3.1简介 5
1.3.2 发展历程 6
1.3.3 主要功能： 6
1.3.4 特点 7
1.4鲁棒自适应滑模控制介绍 7
1.4.1鲁棒控制 7
1.4.2自适应控制 9
1.4.3滑模控制 10
1.5本文的研究意义及主要工作 11
1.5.1本文的研究意义 11
1.5.2本文的主要工作 13
第2章 基于压电材料的机器人悬臂梁的数学模型 14
2.1基于压电材料的机器人悬臂梁系统数学模型的建立 14
2.1.1悬臂梁 14
2.1.2压电智能悬臂梁的本构方程 14
2.1.3 传感方程 15
2.1.4 驱动原理 16
2.2基于压电材料的机器人悬臂梁动力学方程 17
第3章 基于压电材料的机器人悬臂梁控制方案 20
3.1控制系统的设计 20
3.1.1关于李雅普诺夫(Lyapunov)稳定性第二方法 20
3.1.2控制系统的设计 21
3.2滑模自适应控制率的设计及分析 21
3.3系统的Matlab/Simulink仿真 23
第4章 总结与展望 29
4.1 总 结 29
4.2 展 望 29
参考文献 30
致谢 34
第1章 绪论
本章主要介绍了机器人的发展、工作原理、特点，压电材料的简介、Matlab简介以及鲁棒自适应滑模控制并概括了本文的研究意义及主要工作。
1.1机器人
1.1.1机器人发展概述
机器
机器人是高级整合控制论、机械电子、计算机、材料和仿生学的产物。在工业
机器人是高级整合控制论、机械电子、计算机、材料和仿生学的产物。在工业、医学、农业、建筑业甚至军事等领域中均有重要用途。现在，国际
机器人一般由执行机构、驱动装置
机器人能力的评价标准包括：智能
机器人的设计和制造在过去十几年内得到了广泛的研究，文献全面回顾了前人在高品质、低成本机器人上的努力和成果，同时提到了机器人的准确度在不断提高，而成本在不断下降的态势，而且这种趋势还在继续。
图1.1 机器人
1.1.2机器人的工作原理
从最基本的层面来看，人体包括五个主要组成部分：身体结构，肌肉系统，用来移动身体结构；感官系统，用来接收有关身体和周围环境的信息；能量源，用来给肌肉和感官提供能量；大脑系统，用来处理感官信息和指挥肌肉运动。
机器人的组成部分与人类极为类似。一个典型的机器人有一套可移动的身体结构、一部类似于马达的装置、一套传感系统、一个电源和一个用来控制所有这些要素的计算机“大脑”。从本质上讲，机器人是由人类制造的“动物”，它们是模仿人类和动物行为的机器。机器人是“能自动工作的机器”，它们有的功能比较简单，有的就非常复杂，但必须具备以下三个特征：
（1）身体是一种物理状态，具有一定的形态，机器人的外形究竟是什么样子，这取决于人们想让它做什么样的工作，其功能设定决定了机器人的大小、形状、材质和特征等等。
（2）大脑就是控制机器人的程序或指令组，当机器人接收到传感器的信息后，能够遵循人们编写的程序指令，自动执行并完成一系列的动作。控制程序主要取决于下面几种因素：使用传感器的类型和数量，传感器的安装位置，可能的外部激励以及需要达到的活动效果。
（3）动作就是机器人的活动，有时即使它根本不动，这也是它的一种动作表现，任何机器人在程序的指令下要执行某项工作，必定是靠动作来完成的。
1.1.3 机器人的发展
智能型机器人是最复杂的机器人，也是人类最渴望能够早日制造出来的机器朋友。然而要制造出一台智能机器人并不容易，仅仅是让机器模拟人类的行走动作，科学家们就要付出了数十甚至上百年的努力。
1.1.4 机器人的特点
机器人的特点可概括为：横向上，应用面越来越宽。由95%的工业应用扩展到更多领域的非工业应用。像做手术、采摘水果、剪枝、巷道掘进、侦查、排雷，还有空间机器人、潜海机器人。机器人应用无限制，只要能想到的，就可以去创造实现； 纵向上，机器人的种类会越来越多，像进入人体的微型机器人，已成为一个新方向，可以小到像一个米粒般大小；机器人智能化得到加强，机器人会更加聪明。
1.2 压电材料简介
压电材料在一定温度环境中被电场极化后，材料中的晶体以电场极化方向的晶粒为主，但部分晶粒仍然偏离电场极化方向，从而存在剩余极化强度，并以偶极矩的形式表现出来．当对压电材料施加机械变形时，剩余极化强度将因材料的变形而发生变形，引起材料内部正负电荷中心相对移动产生电极化，从而导致材料2个表面上出现符号相反的束缚电荷，电荷密度与外力成正比，这种现象称为正压电效应[][]。正压电效应反映了压电材料具有将机械能转化为电能的能力。检测出压电元件上电荷的变化，即可得知压电元件处的变形量，利用压电材料的正压电效应，可将其制成结构振动控制或结构健康监测中的智能传感器．与此相反，当在压电材料上接通电流，所有晶粒极化方向趋于电场方向，造成压电元件内部正负电荷中心的相对位移，导致压电材料的变形，这种现象称为逆压电效应[3][4]。逆压电效应反映了压电材料具有将电能转化为机械能的能力。利用压电材料的逆压电效应，可将其制成结构振动控制中的智能驱动器[5]。压电材料在工程上的应用非常广泛，可用来进行结构振动控制、结构健康监控、威胁预警、智能机翼以及噪声控制等等。在土木工程中，可用来进行结构健康监测与诊断、结构灾害反应控制以及结构损伤智能修复等等。
柔性结构的振动控制研究已成为当前动力学领域的前沿课题，压电材料由于具有良好的机电耦合性能，广泛应用于结构振动控制系统中[6]。压电悬臂梁结构简单，且有着广泛的工程背景，为振动主动控制的理论研究提供了一个易于实现的物理平台[7]。
本文使用的压电材料是压电智能结构的基础元件，由于具有诸多优点而在智能结构中得到了广泛的应用。压电材料具有以下优点[8][9]：
（1） 压电材料是一种具有力-热-电耦合材质的智能材料，它能通过材料的正、逆压电效应实现能量的转换。压电材料同时具有正压电效应和负压电效应使得它能够同时承担起传感器和作动器的功能。
（2） 频率响应宽。
（3） 压电效应具有较好的线性关系。压电本构方程中的应力、应变、电场强度、电位移等物理量之间均为线性关系。
（4） 压电材料的输入和输出均为电信号，容易测量和观测。
（5） 压电材料的功耗与其他智能材料相比较小。
（6） 压电材料易于加工和裁剪，可以根据需要加工成任何厚度、任意大小及任意形状的压电片。
（7） 压电材料在柔性结构中的控制中作为传感器时不需要参考点，作控制器时不需要支撑点。
（8） 压电传感器具有后处理电路并且调试简单，受温度影响也较小。
（9） 压电材料的制备技术日趋成熟。
1.3 Matlab/Simulink
1.3.1简介
MATLAB是由美国mathworks
MATLAB和Mathematica
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