基于UDE的掘进机器人非奇异终端滑模控制
张国泰
沈刚
汤裕
李翔
中国矿业大学 机电工程学院,江苏 徐州 221116
摘要：随着科学技术的不断进步,煤矿悬臂式掘进机正朝着自动化、少人化、智能化的方向发展.巷道断面成形是悬臂式掘进机的一个主要任务,针对煤矿掘进机器人截割头轨迹控制易受外界未知干扰、系统非线性以及参数不确定性等因素影响,提出一种基于未知动态估计器(Unknown Dy-namic Estimator,UDE)的非奇异终端滑模控制方法.首先,考虑液压驱动部分建立了掘进机截割电液驱动系统的3 阶非线性严反馈状态空间模型.其次,利用有限时间状态收敛的超螺旋滑模微分器估计系统的未知速度状态,基于低通滤波器设计UDE估计系统的非匹配项集总不确定性,并采用非奇异终端滑模面和幂指数趋近律设计快速终端滑模控制律,对UDE观测的系统扰动进行实时前馈补偿可有效缓解传统滑模控制存在的控制器抖振问题.同时为降低高阶虚拟控制量导数计算复杂度,引入指令滤波技术,并采用高增益鲁棒反馈抑制系统匹配项扰动,利用李雅普诺夫准则证明闭环系统的稳定性.最后,利用搭建的掘进机器人样机开展实验验证.试验结果表明:在跟踪阶跃信号、0.1 Hz正弦信号以及混频信号时,所提出的控制方法相较传统的PI控制跟踪误差的平均值分别降低了 61.60%、66.51%、66.27%,跟踪误差的均方根值分别降低了 54.00%、64.53%、61.90%,可有效地抑制系统的多源不确定性扰动,进而实现掘进机器人截割系统的高精度位置控制与动态快速响应.
关键词：掘进机器人轨迹跟踪电液伺服控制非奇异快速终端滑模未知动态估计器
分类号：TH137(机械零件及传动装置)
资助基金：山西联合基金重点资助项目(U21A20125)江苏省杰出青年基金资助项目(BK20200029)
论文发表日期：2023-12-30
在线出版日期：2025-08-15（本平台首次上网日期，不代表文献的发表时间）
页数：12( 790-801 )
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