气动人工肌肉的滑模变结构控制
滑模变结构控制的基本原理精品PPT课件
里亚普诺夫函数的必要条件
v x 1 ,.x .n . ,s x 1 ,.x .n .2,
在s=0附近v是一个非增函数，因此满足条件式
，
则定lim义d函ss数2 式0
x0 dt
是系统里的一个里亚
普诺夫函数。系v x 统1 ,本.身x .n就. 稳,s定x 1 ,于.条x .n件.2s,=0。
5.3 菲力普夫理论
ds lim x 0 dt
ds lim x 0 dt
ds lim x 0 dt
ds lim x 0 dt
ds lim x 0 dt
ds lim x 0 dt
ds 0 lim
x 0 dt ds
0 lim x 0 dt ds
0 lim x 0 dt
0 lim ds x 0 dt ds
两者的性质是不同的，其不同之处在于：系统的运动点到达
直线 q(x)x2 a1x10附近时，是穿越此直线而过的； 而运动点到达直线 q(x)x2c1x0附近时，是从直线两边 趋向此直线的。直线 q(x)x2c1x0具有一种“强迫”或
者“吸引”运动点沿此直线运动的能力。
5.2.1 滑动模态
在系统
dxf(x) xRn dt
ete2t et2e2t
b
0
1
5.1.1 开关控制
v =常数 2r 或 2r-m 因此
2 e t e 2 t
xt 2 e t 2 e 2 t
e t e 2 t x 10 e t 2 e 2 t x20
0.5et 0.5e2t
et e2t
v
或
x 1 x t 2 t2 x 1 0 2 x 1 0 x 2 0 x 2 1 0 e tv e x t 1 0 2 x 1 x 2 0 0 2 0 x 2 .5 0 v e 2 v te 0 2 t .5 v
滑模变结构控制研究综述
滑模变结构控制研究综述摘要：本文主要介绍滑模变结构控制的研究情况。
先介绍了滑模变结构控制的发展历史及基本定义，并对国内外滑模变结构的研究现状进行了评述；然后论述了滑模变结构控制的主要研究方向，重点介绍了离散时间系统变结构控制的研究；最后对滑模控制的发展作了展望。
关键词：滑模；变结构控制；非线性控制；离散系统A survey of research on sliding mode variable structure controlAbstract: A survey on the current research of sliding mode variable structure control is introduced, including the history of the development and basic definitions; and then discussed the main research directions of the sliding mode variable structure control, which emphasizes on the discrete-time systems. Further more, research tendencies in this field are discussed.key words: sliding mode; variable structure control; nonlinear control;discrete-time systems1引言在非线性控制领域，鲁棒控制的典型代表是滑模变结构控制。
滑模变结构控制是目前非线性控制系统较普遍、较系统的一种综合方法。
它的突出优点是滑动模态对于参数摄动和外界扰动等不确定因素具有不敏感性，并且滑动模态的动态品质是可以预先设计的。
这种优异的性能对控制系统是十分重要的，目前已被广泛应用于机器人、伺服系统、空间飞行器、化工过程等领域[1~3]。
气动人工肌肉高速高精度研究
气动人工肌肉高速高精度研究气动人工肌肉（Pneumatic Artificial Muscles，简称PAMs）是一种新型的驱动元件，具有高速高精度的特点，正在被广泛研究和应用。
本文将从气动人工肌肉的原理、结构和应用三个方面进行阐述。
一、气动人工肌肉的原理气动人工肌肉是一种基于气体压力控制的驱动元件，其原理类似于人体肌肉的运动。
它由柔性的材料制成，内部充填压缩空气或气体混合物。
当空气进入气动人工肌肉时，由于内部空间的收缩，肌肉会产生收缩力，从而实现运动。
通过控制气体的流入和排出，可以控制气动人工肌肉的运动速度和力量大小。
二、气动人工肌肉的结构气动人工肌肉主要由外包层、内腔、连接件和控制系统组成。
外包层是由柔性材料制成的，可以承受内部压力并保持结构的稳定性。
内腔是气动人工肌肉的主体部分，通过充填气体来实现收缩和伸展。
连接件用于连接气动人工肌肉和其他机械部件，传递力量和运动。
控制系统包括传感器、执行器和控制算法，用于监测和控制气动人工肌肉的运动状态。
三、气动人工肌肉的应用1. 机器人领域：气动人工肌肉可以用作机器人的驱动元件，实现灵活的运动和精准的控制。
机器人可以通过气动人工肌肉模拟人体肌肉的运动，具有更高的运动速度和精度，可以应用于工业生产、医疗护理、危险环境等领域。
2. 辅助康复领域：气动人工肌肉可以用于辅助康复设备，帮助患者恢复运动功能。
通过控制气动人工肌肉的收缩和伸展，可以模拟人体肌肉的运动，实现康复训练的目的。
气动人工肌肉具有轻巧、柔软和可调节性的特点，适合应用于康复机器人、义肢和外骨骼等设备中。
3. 智能结构领域：气动人工肌肉可以用于构建智能结构，实现形变和运动控制。
通过在结构中加入气动人工肌肉，可以实现结构的自适应、柔性和变形特性。
这种智能结构可以应用于航空航天、建筑工程和汽车制造等领域，提高产品的性能和安全性。
气动人工肌肉具有高速高精度的特点，正在成为研究和应用的热点。
通过深入研究气动人工肌肉的原理和结构，可以进一步推动其在机器人、康复和智能结构领域的应用，为人类带来更多的便利和福祉。
SMA人工肌肉软体机器人的变形控制与运动机理
2023-11-08CATALOGUE目录•引言•SMA人工肌肉材料特性•SMA人工肌肉软体机器人的变形控制•SMA人工肌肉软体机器人的运动机理•SMA人工肌肉软体机器人的应用前景•结论与展望01引言背景sma（shape memory alloy）人工肌肉软体机器人具有变形能力强、能量密度高等优点，在医疗、军事、救援等领域具有广泛的应用前景。
意义对sma人工肌肉软体机器人的变形控制与运动机理进行研究，有助于提高其变形能力和运动性能，拓展其应用范围。
研究背景与意义目前，对sma人工肌肉软体机器人的研究主要集中在材料制备、变形控制和运动机理等方面，已取得一定成果。
现状随着材料科学、微纳制造和人工智能等技术的不断发展，sma人工肌肉软体机器人的研究将更加深入，应用领域将更加广泛。
发展研究现状与发展研究目的与内容目的本研究旨在揭示sma人工肌肉软体机器人的变形控制与运动机理，提高其变形能力和运动性能，为拓展其应用领域提供理论和技术支持。
内容本研究将从以下几个方面展开：（1）sma人工肌肉软体机器人的材料制备与表征；（2）sma人工肌肉软体机器人的变形控制机制；（3）sma人工肌肉软体机器人的运动机理；（4）sma人工肌肉软体机器人的实验与性能测试。
02SMA人工肌肉材料特性SMA在温度变化时，可以发生形状变化的特性。
相变特性SMA在温度变化时，会发生相变，如马氏体相变。
超弹性SMA在变形后能恢复原状的特性。
高强度SMA具有较高的强度，能够承受较大的负载。
通过加热和冷却，SMA可以发生形状变化。
应力致变形在外部应力的作用下，SMA也可以发生形状变化。
热致变形SMA的变形机理VS03SMA人工肌肉软体机器人的变形控制1 2 3SMA材料在高温下可以发生形变，而在冷却后可以恢复到原始形状。
通过加热和冷却，可以实现对机器人形状的控制。
基于SMA材料的形状记忆效应可以通过电热丝或红外线加热方式对SMA材料进行加热，使其发生形变。
滑模变结构控制基本理论课件
图6 控制器u(t)局部轨迹
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滑模变结构控制基本理论
例2 滑模观测器设计
系统模型如下同例1，但增加了一项故障项 fa (t)
x1 x2
x2
25x2
为状态变量，u为输入，y为输出，
fa (t)为未知非线性函数，代表故障。
设计任务：利用可测输入u和可测输出y对状态变量 x2 进行观测，对
滑模变结构控制基本理论
图9 故障及其重构值
图10 故障及其重构值局部图
滑模变结构控制基本理论
请大家指正
(CB)1[CAx ( sgn(s) ks)]
即 s 0, s 0,
u (t) (CB)1[CAx ks] u (t) (CB)1[CAx ks]
取
A
0 0
1 25
,
B
0 133
,C
c1
c2 15
1, 5, k 10
s Cx c1x1 x2 c1x1 x1
ui (x) ≠ ui (x)
(1) 存在滑动模态；
(2) 满足到达条件：即在切换面以外的相轨迹将于有限时间内到达
切换面；
(3) 滑模运动渐近稳定并具有良好的动态品质。
3
滑模变结构控制基本理论
滑模面设计:
滑模面的选取影响到变结构控制的性能， 线性结构的滑模面使系统处于滑动模态时， 稳定性分析简洁，参数设计容易，工程实现方便。
到达滑模面后： s 0,
c1x1 x1 0
x1(t) x1(0)ec1t
因为，c1 15 ,0所以上式收敛到零，且仅与c1有关，而与对象参数无关[不变性]。
6
滑模变结构控制基本理论
图1 滑模面运动相轨迹
图2 X1运动轨迹
气动人工肌肉驱动的机器人控制方法研究
PID控制
采用比例-积分-微分控制 方法，对机器人关节位置 进行精确控制。
模糊控制
利用模糊逻辑理论对机器 人关节位置进行控制，以 应对复杂的非线性动力学 问题。
基于力的控制方法
力控制
通过检测机器人关节的受力情 况，实现对气动人工肌肉的充 气和排气过程的调节，以保持
力矩的稳定。
阻抗控制
将机器人看作一个阻抗网络，通 过调节阻抗参数实现对机器人关 节力矩的控制。
气动人工肌肉驱动技术的应用领域
机器人领域
气动人工肌肉驱动技术可用于机器人关节驱动、执行器控制等。由于其具有较好的柔性和适应性，因此可以与机器人的各种 结构进行集成，实现机器人的高度灵活性和适应性。
医疗设备领域
气动人工肌肉驱动技术可用于医疗设备的驱动和控制，如康复器械、假肢等。由于其具有较好的柔性和适应性，因此可以 与人体结构进行集成，实现医疗设备的舒适性和安全性。
通过研究气动人工肌肉驱动的机器人控制方法，可以提高机器人的智
能化水平，实现更加灵活和智能的运动和力控制，气动人工肌肉驱动技术概 述
气动人工肌肉的工作原理
气动人工肌肉是一种模仿人体肌肉结构的气动执行器，由弹性管、端盖和端口组 成。通过向弹性管充气或放气，端盖和端口之间的距离发生变化，从而实现机械 输出。
航空航天领域
气动人工肌肉驱动技术可用于航空航天领域的执行器控制和机构驱动，如飞机起落架的收放、卫星姿态调整等。由于其具 有较好的响应速度和控制精度，因此可以实现航空航天设备的精确控制和稳定性。
03
气动人工肌肉驱动的机器 人控制方法
基于位置的控制方法
01
02
03
位置控制
通过调节气动人工肌肉的 充气和排气过程，实现对 机器人关节位置的控制。
气动人工肌肉系统控制性能的实验研究
[ 4 ] 于双和 ,傅佩琛 ,强文义. 模糊变结构控制及设计方 法. 哈尔滨工业大学学报 , 2001 (4) : 217～220
(上接第 15 页)
L 0 = L 1 -
4 结论
图 4 系统跟踪正弦信号的实验结果
图 5 增加外力系统跟踪正弦信号的实验结果
这由于气动人工肌肉的输出力是压力和位移 的函数 ,对于单根气动人工肌肉当位移一定时 ,肌 肉腔内的压力与负载力成正比. 当外负载力较小 时 ,腔内压力也较低. 而且 ,由于气动人工肌肉收 缩时产生拉力 , 放气伸长是通过橡胶弹性力来实 现的 ,因而该系统只能承受较低外部推力. 这些都
图 1 气动人工肌肉实验系统示意图 1 —气源 ; 2 —储气罐 ; 3 —比 例 阀 ; 4 —压 力 传 感 器 ;
5 —气动人工肌肉 ;6 —位移传感器 ;7 —负载
在进行控制操作时计算机根据 AD 采集的数 据进行控制量的计算 ,计算的控制量通过 DA 来
收稿日期 : 2003207223. 作者简介 : 杜经民 (19692) ,男 ,讲师 ;武汉 ,华中科技大学 FESTO 气动中心 (430074) . E2mail : fstfly @mail. hust . edu. cn 基金项目 : 国家自然科学基金资助项目 (50375057) .
R1 - R0
tanα
+
t1 2
si
nα
+
∫R12πρt R0
China.
气动人工肌肉是一种具有结构简单 、功率自 重比大 、有良好柔性 、不会损害操作对象的新型气 动执行元件 ,其在工业机器人 、医学等领域将会有 极其广泛的应用前景[1 ] . 本文根据文献 [ 2 ] 提出 的气动人工肌肉系统变结构控制算法 , 对单根气 动人工肌肉系统进行了实验研究 , 分析了气动人 工肌肉的控制特性.
滑模变结构控制
滑模变结构控制简介变结构控制(VSC: Variable Structure Control)本质上是一类特殊的非线性控制，其非线性表现为控制的不持续性，这种控制策殆与其它控制的不同的地方在于系统的“结构”并非固定，而是能够在动态进程中，按照系统当前的状态(如误差及其各阶导数等)，有目的地不断转变，迫使系统依照预定“滑动模态”的状态轨迹运动，所以又常称变结构控制为滑动模态控制(SMC: Sliding Mode Control),即滑模变结构控制。
由于滑动模态能够进行设计且与对象参数及扰动无关，这就使得变结构控制具有快速响应、对参教转变及扰动不灵敏、无雷系统在线辩识，物理实现简单等长处。
该方式的缺点在于当状态轨迹抵达滑模面后，难于严格地沿着滑面向着平衡点滑动，而是在滑模面双侧来回穿越，从而产生哆嗦。
变结构控制出现于50年代，经历了4()余年的进展，已形成了一个相对独立的研究分支，成为自动控制系统的一种一般的设计方式，适用于线性与非线性系统、持续与离散系统、肯定性与不肯定性系统、集中参数与散布参数系统、集中控制与分散控制等。
而且在实际工程中逐渐取得推行应用，如电机与电力系统控制、机械人控制、飞机控制、卫星姿态控制等尊。
这种控制方式通过控制長的切换使系统状态沿薈滑模面滑动，使系统在受到参数摄动和外干扰的时候具有不变性，正是这种特性使得变结构控制方式受到各国学者的重视。
变结构控制进展历史变结构控制的迸展进程大致可分为三个阶段：(1)1957-1962 年此阶段为研究的低级阶段。
前苏联的学者Utkin和Emelyanov在五十年代提出丁变结构控制的槪念，大体研究对象为二阶线性系统。
(2)1962-1970 年六十年代，学者开始针对高阶线性系统进行研究，但仿然限于单输入单输出系统。
主要讨论丁高阶线性系统在线性切换函数下控制受限与不受限良二次型切换函数的情形。
(3)1970年以后在线性空间上研究线性系统的变结构控制。
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气 动 人 工 肌 肉 作 为 一 种 基 于 骨 架 一 一 肉 的 生 物 运 动 机 腱 肌
制的新型驱动器 ， 具有结构简单 、 积小巧 、 全柔顺 、 率／ 它 体 安 功
重 量 比 大等 优 点 。 目前 ， 它 的研 究 正 进入 了一 个 高 潮 …。气 动 对 人 工 肌 肉 是 由 内 部 的 橡 胶 管 或 可 膨 胀 气 囊 及 外 部 的 编 制 网 构
ａ ｅ ｓ ｒｃ ｕ ｅ ｃ ｔｏ ｓｒ ｔ ｅ ｆ ｐｎ ｍａｔ ｍ ｕ ｃｅ ｃ ｕ ｔ ｒｂｅｎ ａｉ ｂｌ ｔｕ ｔ ｒ ｏｎ ｒｌ ｔａｅｇｉｓ ｏ ｅｕ ｉ ｃ ｓ ｌ ａ ｔ ａ ｏ ， ｉｇ ｍｅｄ ｔｔ ｅ ｎ ｌ ｅ ｉ ｔ ａ ｈ ｏｎｉ ａｒｙ，ｉ ｎ ｔ ｍｅ ａ ｉ ｔａｎ ｕ ｅ ａｉｔ ｏ ｖｒ ａｎ ｄ ｎｃ ｒ ｎ ｙ ｆ ｆ ｐｎ ｍａ ｉ ｍｕ ｌ ａ ｔ ａｏｒＩ ｔｅ ｉ ｕａｉｎ ｆ ｅｕ ｔｃ ｓｃｅ ｃ ｕ ｔ ． ｎ ｈ ｓｍ ｌｔ ｏ Ｍａ ｌｂ．ｈｉ ｏ ｔａ Ｔ ｓ ｐａ ｒ ｐｅ ａｎ ｙ ｅ ｔ ｅ ｏｂｕ ｔｅｓ ｏｆ ｈ ｃ ｎ ｒ ｌ ｗｈ ｎ ｘｅｒａｌ ａｌｓ ｓ ｈ ｒ ｓｎ ｓ ｔｅ ｏ ｔｏｌ ｅｒ ｅ ｅ ｔ ｎ
ｄｉｔ ｒ ａｎ ｅ ｓ ｕ ｂ ｃ ｈａ ｐｐｅ ｓ ｎ ａｎ ｅ ｔ ｒ ａ ｐ ａｍｅｔｒ ｈ ｇｅ ． ｅ ｐｅｒｔ ｒ ｕｔ ｓ ｏ ｔ ａ ｔ ｅ ｌ ｎ ｍｏｄ ｄ ｘ ｅ ｎ ｌ ａｒ ｅ ｃ ａｎ ｓＴｈ ｏ ａｉ ｏｎ ｅｓ ｌ ｓ ｈ ｗ ｈ ｔ ｈ ｓｉ ｇ ｄｉ ｅ ｖ ｒ ｅ ｔｕ ｕ ｅ ａｉ ａｂｌ ｓ ｒｃｔｒ ｃ ｔｏ ｍｅ ｈ ｉ ｅ ｅｃ ｉｅ ａｎ ｅ ｉ ｅ ｏｎｒ ｌ ｔ ｏｄ ｓ ｆ ｔ ｄ ｆ ａｓｂｌ． ｖ Ｋｅ ｗｏｄｓｐ ｅｕ ａｉ ｓ ｅ ａ ｔ ａ ｏ， ｅ ｓｉ ｎ ｙ ｒ ：ｎ ｍ ｔ ｍｕ ｃｌ ｃ ｕ ｔ ｒｈ ｌ ｇ ｍｏｄｅ ｖ ｉｂｌ ｔｕ ｔ ｒ ｏｎｒ ｌｈ ｒ ｅ ｏｆｓｌ ｎｇ ｍ ｏ ．ｗｉ ｕ ￣ ｉ ｃ ｔ ｄｉ ａｒ ｅ ｓｒ ｃ ｕｅ ｃ ｔｏ， ｅ ｓｕ ａｃ ｉ ａ ｔ ｆ ｄｉ ｄｅｓ ｔ ｆ ｎ ｏｎ ｃｈ
高聪 聪 王冬 青 （ 青岛大学 自动化工程学院， 山东 青岛 ２６ ７ ） ６ ０ １
摘 要 针 对 气 动人 工肌 肉的非 线 性 、 时变性 和 不 确 定性 ， 用 变 结 构控 制 的 方 法 ， 计 了 气动人 工肌 肉 的全 局 滑模 变 结构 控 制 采 设
策略 。在 Ｍａｌ ｔ ｂ仿 真 中 ， 析 了控 制 器对 外 界 干扰 和 外部 参数 的 鲁棒 性 ， 明该 滑模 变结 构控 制 策略 有 效 可行 。 ａ 分 表
就会 产 生 张 力 ； 之 ， 反 当放 气 时 因其 弹 性 回缩 ， 径 变 细 ， 度增 直 长 加 ， 力 减小 ＿。由于 气 动 人 工 肌 肉使 用 中空 的橡 胶 管 和 纤 维织 张 ２ ］
物外 罩 ， 因此 由它制 成 的驱 动 器 与 传 统 驱 动 器 相 比有 以 下优 越 性 ∞： 和 人 或 动 物 的肌 肉 一 样 柔 软 ； 量 很 小 ； 动 过 程 中没 ］ 它 重 驱
标 系 的 位 置及 对 拉 性 关 节 转 角 ０ 表示 ，令 Ｐ Ｘ Ｙ Ｏ ｑ （ 来 ＝（ ）， ＝ ｖ
有 声 音 产 生 ， 以 产 生 像 动 物 一 样 的 动 作 ； 量 消 耗 小 ； 有 一 可 能 它 个 很 高 的 功 率／ 量 比 ； 力 长 度 特 性 与人 或 动 物 的相 似 ， 力 重 其 但
１ ８
气 动 人 工 肌 肉 的滑 模 变 结 构 控 制
气动人工肌肉的滑模变结构控制
Ｓｌ ｉｇ ｉ ｎ Ｍｏ ｅ Ｖ ｒ ｂ ｅ Ｓ ｒ ｃ ｕ ｅ Ｃｏ ｔｏ ｆ Ｐ ｅ ｍａ ｉ ｓ ｌ ｔ ａ ｏ ｄ ｄ ａ ｉ ｌ ｔｕ ｔ ｒ ｎ ｒ ｌｏ ｎ ｕ ｔ Ｍｕ ｃｅ Ａｃ ｕ ｔ ｒ ａ ｃ
速度特性不同。 ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
气 动 人 工 肌 肉 的运 动 方 程 具 有 高 度 复 杂 、 度 非 线 性 、 高 高度 耦 合 的特 点 ，除 此之 外 ，气 动 人 工 肌 肉 的 控 制 还 有些 显 著 的特 点 ， 如 含 有 不 确 定 参 数 、 动 可 能 受 到 约束 而受 到未 知 的反 作 诸 运 用 力 、 种 坐 标 系 的 矛盾 等 。 结 构 控 制 因其 具 有 对 参 数变 化 及 两 变 扰 动 的 不 敏感 性 ， 够基 于不 确 定 性 模 型 实 现 有 界 误 差 跟 踪 ， 能 适 合 于 气 动人 工肌 肉 的定 位 控 制 ，滑 模 控 制 能 够保 证 滑 模 动 态 对 干 扰 和 参 数摄 动 的不 变 性 。
关键词 ： 气动 人 工 肌 肉 ， 模 变 结构 ， 滑 滑模 面 ， 换 函数 切
Ａｂ ｔａ ｔ ｓ ｒｃ
Ｔ ｓ ｐａｐ ｏｐ ｓ ｈ ｍｅ ｈ ｄ ｆ ｔｅ ｌ ｎｇ ｈｉ ｅｒａｄ ｔ ｔｅ ｔ ｏ ｏ ｈ ｓｉ ｄｉ ｍｏ ｒ ｅ ｓ ｒｃｔｒ ｏｎ ｒ ａｎ ｄｅ ｉｎｓ ｈ ｇｌ ａｌｓｌ ｎｇ ｄｅ ｖａ ｉ ａｂｌ ｔｕ ｕ ｅ ｃ ｔｏｌ ｄ ｓｇ ｔｅ ｏｂ ｉ ｄｉ ｍｏｄ ｖ ｒ ｅ ａｉ －
成， 而外 部 的 编 制 网 是 由刚 度 很 大 的线 构 成 ， 向气 囊 充 气 时 ， 当 气 囊 因 弹性 变 形 压 迫外 部 编 制 网 ， 于 编 制 网 刚度 很 大 ， 制其 由 限
只 能径 向变 形 ， 径 变 粗 ， 度 缩 短 。 时如 果 将 其 与 负 载相 连 ， 直 长 此