[發明專利]一種基于未知系統動態估計器的柔性關節機械臂預設性能控制方法

有效

• 申請號: 202110098464.0
• 申請日: 2021-01-25
• 公開（公告）號: CN112873207B
• 公開（公告）日: 2022-03-08
• 發明（設計）人: 南余榮;顧賢擁;陳強
• 申請（專利權）人: 浙江工業大學
• 主分類號: B25J9/16
• 分類號: B25J9/16
• 代理公司: 杭州天勤知識產權代理有限公司 33224
• 代理人: 白靜蘭;胡紅娟

本發明公開了一種基于未知系統動態估計器的柔性關節機械臂預設性能控制方法：(1)建立柔性關節機械臂系統模型，初始化系統狀態及控制參數；(2)設計未知系統動態估計器估計柔性關節機械臂系統模型的不確定干擾和外部干擾；(3)構造funnel變量，結合反演法設計控制器。本發明通過未知系統動態估計器實現對模型不確定和外部干擾進行估計，并設計新型funnel變量，通過構造指數衰減的約束邊界，使得系統有較好的瞬態性能，并能夠滿足系統的穩態性能要求，保證系統輸出快速準確跟蹤期望軌跡。

技術領域

本發明涉及一種基于未知系統動態估計器的柔性關節機械臂預設性能控制方法，特別是系統帶有模型不確定和外部干擾以及輸出約束的柔性關節機械臂系統的預設性能控制方法。

背景技術

隨著科技的進步和發展，機械臂在工業、國防、醫療衛生等領域發揮著重要作用，提高機械臂系統的控制精度和穩定性是當前機械臂控制的研究熱點。機械臂系統本身存在模型不確定及外部干擾，從而影響控制系統性能，甚至導致系統不穩定。因此通過設計合適的干擾觀測器補償系統模型不確定和外部干擾，從而提升機械臂系統的魯棒性和穩態精度，是機械臂控制中的一個研究重點。

針對提高機械臂系統的運動性能，除去最傳統PID控制和結合其他策略的控制算法，常見的控制算法有自適應控制、滑模變結構控制、反演控制和智能控制等方法。其中，反演控制是一種遞歸控制算法，其基本思想是將原來的系統分解為不超過系統階數個數的子系統，再對每一個子系統設計虛擬控制律，一直反演推算到整個系統，最后實現對整個系統的控制，在機械臂系統中應用較多。如公開號為CN107662208A的中國專利公開了一種基于神經網絡的柔性關節機械臂有限時間自適應反步控制方法、公開號為CN110687787A的中國專利公開了一種基于時變非對稱障礙李雅普諾夫函數的機械臂伺服系統自適應控制方法。

但這些控制方法一般僅能保證系統的穩態性能，難以保證系統瞬態性能。因此針對控制系統瞬態響應問題，增強系統瞬態性能并保證系統的穩態性能也是急需解決的難點。

發明內容

本發明的目的在于提供一種基于未知系統動態估計器的柔性關節機械臂預設性能控制方法，該方法保證系統有更好的瞬態、穩態性能及魯棒性，實現柔性關節機械臂系統輸出對期望軌跡的快速準確跟蹤。

為了解決上述技術問題提出的技術方案為：

一種基于未知系統動態估計器的柔性關節機械臂預設性能控制方法，所述控制方法包括以下步驟：

步驟1，建立柔性關節機械臂系統模型，初始化系統狀態及控制參數；

步驟2，設計未知系統動態估計器估計柔性關節機械臂系統模型的不確定干擾和外部干擾；

步驟3，構造funnel變量，結合反演法設計控制器。

具體地:

步驟1，建立柔性關節機械臂系統模型，初始化系統狀態及控制參數；

1.1，柔性關節機械臂系統模型表示成如下形式：

其中M,g,L分別為機械臂質量、重力加速度和機械臂長度，q，θ分別為機械臂連桿和電機角度，為機械臂連桿角加速度，為電機角加速度，I、J分別為連桿和電機的慣量，K為彈性系數，τ為控制力矩，d₁和d₂是包含模型不確定和外部干擾的未知系統動態，表達式為：

其中，d_a和d_b分別為非匹配和匹配干擾。

1.2，定義系統狀態變量x₁＝q，x₃＝θ，則式(1)可改寫為：