[發明專利]一種基于反步策略與滑膜策略的機械臂容錯控制方法及系統

在審

• 申請號: 201911276265.3
• 申請日: 2019-12-12
• 公開（公告）號: CN110879589A
• 公開（公告）日: 2020-03-13
• 發明（設計）人: 張憲福;朱菲;常艷潔;陳現棟;李含豐
• 申請（專利權）人: 山東大學
• 主分類號: G05B23/02
• 分類號: G05B23/02
• 代理公司: 濟南圣達知識產權代理有限公司 37221
• 代理人: 李圣梅

本發明公開了一種基于反步策略與滑膜策略的機械臂容錯控制方法及系統，包括：建立機械臂系統的故障動態模型；基于上述模型，利用反步設計方法，構造虛擬控制器；再利用一階滑膜微分器對虛擬控制器的導數進行有效的估計；運用自適應估計對系統模型存在的未知參數及故障參數進行處理；再次利用反步設計方法，借助自適應估計、滑膜估計的結果，并通過雙曲函數設計最終的控制器。本公開將一階滑膜微分器應用到反步設計中，有效的避免了虛擬控制器求導的“爆炸復雜性”問題的產生，在機械臂控制器發生故障的情況下達到了機械臂轉動角度有界跟蹤目標信號的控制目的。

技術領域

本發明屬于控制技術領域，尤其涉及一種基于反步策略與滑膜策略的機械臂容錯控制方法。

背景技術

本部分的陳述僅僅是提供了與本公開相關的背景技術信息，不必然構成在先技術。

發明人在研究中發現，隨著機器人的發展，機械臂控制系統的研究也得到了廣泛的關注。控制器故障是工程應用中普遍出現的問題，如果機械臂的控制器發生故障時不能得到及時有效的處理，后果將不堪設想。

近年來，為了保證工程的可靠性和安全性，機械臂容錯控制研究成為了一個備受關注又具有挑戰的課題。一方面，以反步設計為代表的結構設計技術在20世紀80年代被提出，而自反步設計被研究者引入到機械臂系統以來，它逐漸成為研究機械臂系統相關問題的一種不可或缺的基礎性方法。

另一方面，近年來，滑模協議以其響應速度快、物理實現簡單等優點逐漸受到學者們的關注，并產生了一系列的研究成果；由滑模控制發展而來的一階滑膜微分器是解決典型的反步設計方法在虛擬控制器的求導時出現的“復雜性爆炸”困難的一個重要途徑，然而這種方法并未應用到解決機械臂的控制器發生故障的研究中。

發明內容

為克服上述現有技術的不足，本發明提供了一種基于反步策略與滑膜策略的機械臂容錯控制方法，并且借助自適應方法與雙曲函數特性而設計的機械臂容錯控制策略。

為實現上述目的，本發明的一個或多個實施例提供了如下技術方案：

一種基于反步策略與滑膜策略的機械臂容錯控制方法，包括：

建立機械臂系統的故障動態模型；

基于上述模型，利用反步設計方法，構造虛擬控制器；

利用一階滑膜微分器對虛擬控制器的導數進行有效的估計；

運用自適應估計對系統模型存在的未知參數及故障參數進行處理；

再次利用反步設計方法，借助自適應估計、滑膜估計的結果，并通過雙曲函數設計最終的控制器。

進一步的技術方案，機械臂系統的故障動態模型：

其中：J表示發動機的轉動慣量，M是剛性連桿的質量，q是剛性連桿的角度，B是阻尼系數，l是軸向中心的長度，g是重力加速；其中：

u(t)為實際控制輸入，0＜k-≤k_j≤1、為故障參數，v(t)為設計控制器.和分別代表故障開始時間和結束時間，并且和m為故障發生的總個數，s是start，e是end。

將該系統進一步表示為以下數學模型：

其中：x₁＝q、表示未知參數。