[發明專利]一種工業機械手抗干擾魯棒自適應PID控制方法

有效

• 申請號: 201410136080.3
• 申請日: 2014-04-04
• 公開（公告）號: CN103901776A
• 公開（公告）日: 2014-07-02
• 發明（設計）人: 徐健;喬磊;汪慢;周佳加;張耕實
• 申請（專利權）人: 哈爾濱工程大學
• 主分類號: G05B13/04
• 分類號: G05B13/04;B25J9/18
• 代理公司: 暫無信息
• 代理人: 暫無信息

1.一種工業機械手抗干擾魯棒自適應PID控制方法，其特征在于：魯棒自適應PID控制器包括PID控制項、自適應控制項、魯棒控制項，PID控制項與魯棒控制項的輸入均為機械手的位置與速度誤差，自適應控制項的輸入為機械手不確定動力學參數的估計值，PID控制項、自適應控制項、魯棒控制項的輸出經過累加器疊加，實現魯棒自適應PID控制。

2.根據權利要求1所述的工業機械手抗干擾魯棒自適應PID控制方法，其特征在于：機械手的位置與速度誤差通過如下方法得到，

測量裝置測得機械手輸出的位置、速度值，比較器將前述位置、速度值與期望輸入的位置、速度值進行比較獲得誤差值。

3.根據權利要求2所述的工業機械手抗干擾魯棒自適應PID控制方法，其特征在于：機械手不確定動力學參數的估計值通過如下方法得到，

機械手的位置與速度誤差輸入自適應控制器，得到不確定動力學參數的估計率，再經過積分器得到不確定動力學參數的估計值。

4.根據權利要求3所述的工業機械手抗干擾魯棒自適應PID控制方法，其特征在于：擾動信號上確界已知時的魯棒自適應PID控制器具體通過如下方法設計，

1）被控對象的數學描述：

對于一個具有N個轉動關節的機械手系統，其動力學可由以下二階非線性微分方程描述：

M(q)q··+C(q,q·)q·+G(q)+u=τ---(1)]]>

式（1）中，

q∈Rⁿ——機械手關節角位移向量；

M(q)∈R^n×n——機械手的慣性矩陣；

——機械手的離心力和哥式力矩陣；

G(q)∈Rⁿ——機械手的重力項；

τ∈Rⁿ——機械手的外部控制力矩；

u∈Rⁿ——機械手所受的各種外界擾動項；

2）被控對象的動力學特性：

①M(q)是正定對稱矩陣；

②為斜對稱矩陣；

③存在一個依賴于機械手參數的參數向量，使得M(q)，G(q)滿足如下線性關系：

M(q)α+C(q,q·)β+G(q)=Ψ(q,q·,α,β)P---(2)]]>

式（2）中，為已知關節變量函數回歸矩陣，即為機械手廣義坐標及其各階導數的已知函數矩陣；P∈R^m為描述機械手質量特性的未知定常參數向量；

3）擾動信號上確界已知時的機械手魯棒自適應PID控制器設計：

針對式(1)描述的機械手系統，在擾動信號上確界已知時，魯棒自適應PID控制器設計如下：

τ=-KPe-KDe·-KI(∫0tedt)+Ψ(q,q·,q·k,q··k)P^+V---(3)]]>

V=v1,...vnT---(4)]]>

vi=-(b1+b2||e||+b3||e·||+b4||∫0tedt||)sgn(xi)---(5)]]>

為P的估計值，取的估計率為：

P^·=-ΦΨT(q,q·,q·k,q··k)x---(6)]]>

取控制增益矩陣為：

K_P＝diag[k_P1,...,k_Pn]?????????(7)

K_D＝diag[k_D1,...,k_Dn]?????????(8)

K_I＝diag[k_I1,...,k_In]????????????(9)

其中，e＝q-q_d為機械手關節角位置誤差，為機械手關節角速度誤差，q_d為期望的關節角度；γ為常數，且γ＞0；b₁，b₂，b₃和b₄均為大于零的常數；矩陣Φ∈R^m×m為正定對稱陣，k_Pi，k_Di，k_Ii均為正常數，且k_Di＝k_Ii，i＝1,2,...,n。

5.根據權利要求4所述的工業機械手抗干擾魯棒自適應PID控制方法，其特征在于：

針對式(1)描述的機械手系統，當擾動信號的上確界未知時，魯棒自適應PID控制器設計如下：

τ=-KPe-KDe·-KI(∫0tedt)+Ψ(q,q·,q·k,q··k)P^+V---(10)]]>

V=-(b^ξ)2(b^ξ)||x||+ϵ2·x---(11)]]>

b^·=λ1ξ||x||---(12)]]>

ϵ·=-λ2ϵ,ϵ(0)=0---(13)]]>

其中，b＝b₁+b₂+b₃，為b的估計值，ξ=max(1,||e||,||e·||,||∫0tedt||),]]>λ₁，λ₂為任意的正常數。