[发明专利]基于PC+FPGA的带速度观测器的有限时间稳定性控制系统

权利要求书

1.一种基于PC+FPGA的带速度观测器的有限时间稳定性控制系统，其特征在于：包括IPC(1)、FPGA运动控制器(2)、伺服驱动器(3)、工业机器人(4)、以太网通讯模块(5)，FPGA运动控制器(2)包括插补模块(21)、实时控制模块(22)、编码器模块(23)、D/A输出模块(24)，工业机器人的上位机在IPC(1)上给定工业机器人的惯性参数和控制参数，IPC(1)通过以太网通讯模块(5)将数据传送到FPGA运动控制器(2)完成动力学参数和控制参数的设置，实时控制模块(22)根据插补模块(21)提供的插补数据、编码器模块(23)提供的位置反馈信号，进行有限时间收敛速度观测器算法的实时计算，先获得速度信号，再进行有限时间稳定性控制算法的实时计算得出控制力矩，并转换为电压信号，最后通过D/A输出模块(24)输出模拟电压信号到伺服驱动器(3)，以力矩模式驱动工业机器人(4)完成运动控制。

2.根据权利要求1所述的基于PC+FPGA的带速度观测器的有限时间稳定性控制系统，其特征在于，

在IPC(1)上实现的步骤为：

(1).将插补完成的数据存放至FPGA运动控制器(2)的FIFO区；

(2).IPC(1)将机器人的动力学参数和控制参数通过工业以太网接口和集成在FPGA硬件电路上的以太网接口发送至FPGA运动控制器(2)，实现对FPGA运动控制器(2)中动力学参数和控制参数的设定；

FPGA运动控制器(2)进行以下步骤：

(1).将插补完成后的数据传送至FIFO进行缓冲存储；

(2).编码器模块(23)对工业机器人各轴实际运动位置光电编码器反馈信号进行解码，并传送至实时控制模块(22)；

(3).实时控制模块(22)根据FIFO区插补数据和位置反馈信号数据先进行有限时间速度观测器的计算，获得速度信号，再进行有限时间稳定性控制算法的实时计算得到控制力矩，并转换为电压信号，最后通过D/A输出模块(24)将模拟电压信号实时输出；

(4).伺服驱动器(3)接收来自D/A输出模块(24)的模拟电压信号，采用三环控制，从里到外分别为电流环、速度环、位置环，以力矩控制模式控制工业机器人(4)的机械本体进行协调运动，最终实现工业机器人末端位置的精确跟踪。

3.根据权利要求1或2所述的基于PC+FPGA的带速度观测器的有限时间稳定性控制系统，其特征在于，所述有限时间稳定性控制算法如下：

τ=M0(q)[q··d-K1Sig(e)α-K2Sig(e^·)β]+C0(q,q^·)q^·+G0(q)]]>

其中分别为当前周期的关节位置、关节估计速度和期望加速度向量；M₀(q)∈R^n×n为对称正定的惯性矩阵；为哥氏力和向心力矩阵；G₀(q)∈Rⁿ为重力向量项；τ∈Rⁿ为各关节的力矩输入向量；Sig(·)^α＝|·|^αsgn(·),0＜α＜1，β＝2α/(α+1),K₁，K₂为正定的对角矩阵，此采样周期内的跟踪位置误差为：e＝q-q_d,跟踪速度误差其中当前速度由有限时间收敛的速度观测器估计得出，令设为其估计值，即有p^2=q^·,]]>并定义估计误差为p~1=p1-p^1,p~2=p2-p^2,]]>则有：

p^·1=p^2+L1Sig(p~1)γ+12p^·2=q··d-K1Sig(e)α-K2Sig(e^·)β+L2Sig(p~1)γ]]>

其中γ＞0，L₁,L₂为正定的对角矩阵，从而得出速度估计值；

再根据伺服驱动器输入电压信号与输出力矩的线性关系λ，求出控制器输出的模拟电压信号u＝λτ。