[发明专利]一种基于扩张状态观测器的机械臂伺服系统全阶滑模控制方法

说明书

一种基于扩张状态观测器的机械臂伺服系统全阶滑模控制方法，包括:建立机械臂伺服系统的动态模型，初始化系统状态及控制参数；设计扩张状态观测器；基于扩张状态观测器，设计全阶滑模控制器。本发明能够有效改善传统滑模控制在机械臂伺服控制中的滑模抖振问题，并在一定程度上提高系统的鲁棒性，使机械臂伺服系统能够实现精确的跟踪控制。

技术领域

本发明涉及一种基于扩张状态观测器的机械臂伺服系统全阶滑模控制方法，特别是对于系统状态和不确定项均未知的机械臂伺服系统的全阶滑模控制控制方法。

背景技术

机械臂伺服系统在机器人及航天等高技术领域已获得广泛应用，运动精度作为机械臂伺服系统完成指定操作任务的重要性能指标，已成为个国内外学者研究的热点。针对如何有效提高系统的运动精度，国内外已提出多种控制方法，包括PID控制，自适应控制，滑模控制及鲁棒控制等。其中由于滑模控制具有算法简单，对外界扰动及参数摄动不敏感及响应速度快等优点，在机械臂伺服系统控制中应用已越来越广泛。

在传统的滑模控制中，由于控制器增益过高或者控制器的不连续开关特性，容易引起系统的抖振问题。系统抖振不但影响系统的定位精度和跟踪性能，甚至会对系统本身造成损害。因此，如何消除系统的抖振，是滑模控制在机械臂伺服控制中亟待解决的问题。目前已有部分改进的滑模控制方法能在一定程度上减弱抖振带来的影响，例如用饱和函数近似替代符号函数设计滑模控制器或将滑模与自适应控制相结合，实时更新滑模切换增益等。

为了有效消除机械臂伺服系统中滑模控制的抖振问题，本发明设计了一种基于扩张状态观测器的全阶滑模控制方法，采用扩张状态观测器来估计伺服系统中所包含的未知状态和不确定项，并基于估计值设计了全阶滑模控制器，实现机械臂伺服系统的精确定位和跟踪。

发明内容

为了解决带有未知状态及不确定项的机械臂伺服系统中的滑模抖振问题，并有效提高伺服系统的鲁棒性，本发明设计了一种基于扩张状态观测器的全阶滑模控制方法，该方法采用扩张状态观测器来估计系统的未知状态及不确定项，并通过观测值设计全阶滑模控制器，在该控制器中通过引入一阶滤波器，使控制信号连续，从而有效消除滑模抖振问题，使机械臂伺服系统能够对期望位置实现快速定位跟踪。

为了解决上述技术问题提出的技术方案如下：

一种基于扩张状态观测器的机械臂伺服系统全阶滑模控制方法，包括以下步骤：

步骤1,建立机械臂伺服系统模型，初始化系统状态及控制参数；

1.1,机械臂伺服系统模型表示成如下形式

其中q₁,q₂是连杆和电机的转角；I是连杆的惯性环节；J是电机的转动惯量；K是弹簧的刚度；u是输入转矩；M和L分别表示连杆的质量和长度；y＝q₁是系统的输出；

1.2,定义状态变量x₁＝q₁，x₃＝q₂，则伺服系统方程写成如下状态空间形式

其中，f(x)＝[x₂-(MgL/I)sin(x₁)-K/I(x₁-x₃)x₄(K/J)(x₁-x₃)]^T，

g(x)＝[0 0 0 1/J]^T；经坐标变换后式(2)可转化为

1.3,令其中b₀为b的估计值，定义扩展状态则式(3)写成以下等效形式