[發明專利]一種基于有限時間擾動觀測器的反演滑模機械臂控制器設計方法

有效

• 申請號: 201910810166.2
• 申請日: 2019-08-29
• 公開（公告）號: CN110421569B
• 公開（公告）日: 2023-01-31
• 發明（設計）人: 趙靜;酈澤云;王弦;牛友臣
• 申請（專利權）人: 南京郵電大學
• 主分類號: B25J9/16
• 分類號: B25J9/16;G05B13/04
• 代理公司: 南京正聯知識產權代理有限公司 32243
• 代理人: 張玉紅

本發明提出了一種基于有限時間擾動觀測器的反演滑模機械臂控制器設計方法，該方法先建立起機械臂的動力學模型，后針對外部擾動設計了有限時間擾動觀測器并進行穩定性分析，對未知的擾動量進行實時的檢測和在線估計，利用獲得的擾動估計信息設計非奇異終端滑模的控制器，結合反演與滑模控制方法，通過設計中間虛擬量反解出系統的控制律，另加入了趨近律控制方法，然后利用李雅普諾夫函數理論證明了其系統的漸近穩定性，最終通過仿真進行驗證。

技術領域

本發明屬于自動控制領域，一種基于有限時間擾動觀測器的反演滑模機械臂控制器設計方法。

背景技術

隨著科學技術的快速發展，機器人機械手正變得越來越廣泛應用于工業。人們不僅需要機械臂幫助人們更好的生活和工作，更需要機械臂能在工作空間受限或復雜多變的環境下完成更危險更復雜的任務。因此在過去的幾十年，機器人機械手廣泛應用于制造工業、核電站等，并且依靠其降低了生產成本、提高了精度、增加生產力的優點而在醫學上廣被應用。

在許多實際應用中，對機械臂精確軌跡跟蹤時非常重要的，但是機械臂是一類非線性復雜系統并且具有很強的耦合性，其數學動態模型存在包括了集總不確定性、未建模動態和外界未知干擾等問題。當系統動力學出現一些未知外部擾動和集總不確定性各樣的情況，很難做到準確地非線性跟蹤，為了消除干擾和集總不確定性的自適應控制器設計需要滿足良好的跟蹤性能。滑模控制是一種魯棒控制方法滿足解決空間機械臂的集總不確定性和未知擾動。在具有匹配擾動中，滑?？刂茖恿W特性是不變的。為了克服這些問題，自適應控制，魯棒控制，模糊控制和神經網絡控制等多種方法被大量采用。然而僅僅采用一種控制方法一般是很難達到預期，因為單一的算法南面具有很大的局限性，因此，根據不同算法的特點，許多學者嘗試了將不同控制算法進行混合，通過這樣的方法讓機械臂更能準確跟蹤上期望軌跡，取得令人滿意的效果。

類似于自適應神經網絡控制算法、自抗擾控制算法、模糊控制算法、模糊自適應魯棒跟蹤控制算法等，這些方法雖然都是能對期望軌跡實現跟蹤，但就滑模技術來說仍存在了以下不足之處有待解決：(1)滑模面到達時間較長：(2)系統抖振較大。

發明內容

本發明為解決機械臂系統存在的未知擾動問題，提供一種基于新型有限時間擾動觀測器的反演滑?？刂品椒?，其能夠對未知擾動進行在線實時檢測與精確估計，并結合反演控制以及趨近律方法設計控制器來有效地消除抖振，滿足機械臂系統達到預期效果。

一種基于有限時間擾動觀測器的反演滑模機械臂控制器設計方法，包括如下步驟：

步驟1：建立空間機械臂動力學通用模型；

步驟2：為了方便控制律的應用，將該模型轉化；

步驟3：根據步驟2中轉化后的模型中的外部擾動，建立有限時間擾動觀測器；

步驟4：對機械臂的擾動觀測器穩定性采用利用Lyapunov穩定性理論進行驗證；

步驟5：對于機械臂的全局穩定性采用利用Lyapunov穩定性理論進行驗證。

進一步地，步驟1中，所述通用模型具體如下：

其中q∈Rⁿ,分別代表了位置矢量、速度矢量、加速度矢量；Rⁿ表示n維向量空間；M(q)∈R^n×n為對稱正定慣性矩陣，代表了哥氏力和離心力矩陣，G(q)∈R^n×1表示重力矢量，表示外部擾動引起的不確定項，τ代表了控制力矩矢量。

進一步地，步驟2中，將該模型轉化為如下的具體形式：

其中，x＝[q₁ q₂]^T，X＝[x z]^T，h(x)＝M^-1，u＝τ，D為外部擾動。