[发明专利]带有输出约束的机械臂系统的固定时间跟踪控制方法

说明书

本发明公开了一种带有输出约束的机械臂系统的固定时间跟踪控制方法，通过描述刚体结构机械臂系统的动态方程；不考虑外部干扰时，利用障碍李雅普诺夫函数法和有限时间控制算法，设立连续的固定时间轨迹跟踪控制律；根据得到的控制律设计固定时间轨迹跟踪控制器，使得机械臂系统的动态方程的状态轨迹可以在固定时间内跟踪到预设的期望轨迹，同时在控制过程中跟踪误差不会超出预先设定的界；依靠得到的固定时间轨迹跟踪控制器进行跟踪控制。本发明具有较好的收敛性和抗干扰性。

技术领域

本发明涉及一种带有输出约束的机械臂系统的固定时间跟踪控制方法。

背景技术

机械臂系统虽然目前还不如人手那样灵活，但它具有能不断重复工作和劳动、不知疲劳、不怕危险、抓举重物的力量比人手大等特点，因此，机械臂已受到许多部门的重视，并越来越广泛地得到了应用。例如，机床加工工件的装卸，特别是在自动化车床、组合机床上的使用较为普遍；在装配作业中应用广泛，在电子行业中它可以用来装配印制电路板，在机械行业中它可以用来组装零部件；它可以在劳动条件差，单调重复易疲劳的工作环境工作，以代替人的劳动；它可以在危险的场合下工作，如军用品的装卸、危险品及有害物质的搬运等；还可用于宇宙及海洋的开发及军事工程和生物医学方面的研究和实验等。

由于机械臂系统可化为标准的二阶链式系统，其一直被科学界作为基准系统来研究。最近几十年，机械臂系统的轨迹跟踪控制得到了很大关注。现有很多技术对机械臂系统的轨迹跟踪进行了研究，滑模控制技术是主要的研究手段。针对机械臂系统，现有技术提出了全局非奇异终端滑模控制器以及有限时间终端滑模控制器。同时研究了多网络机械臂系统的分布式协同跟踪控制问题。值得注意的是现有技术只能得到有限时间稳定的结果，这意味着在有限时间控制中，停息时间的上界依赖于系统初始值。实际应用中，最好能够预先知道停息时间的上限，而且这个上限应该是一个正常数，与系统初始条件无关，即为固定时间稳定问题。相比于有限时间稳定，固定时间要求控制系统是全局有限时间稳定的并且停息时间的上界是一个与系统初始条件无关的常数。在实际应用中，固定时间控制比有限时间控制更可取，因为固定时间方法可以产生一个控制律，规定一个与操作域无关的过渡时间。为此，需要解决机械臂系统的固定时间轨迹跟踪控制问题。

针对输入通道带有扰动和不确定的二阶链式非线性系统，现有技术提出了固定时间终端滑模控制器，并将该思想成功应用于二阶多智能网络系统的一致跟踪控制问题中。针对带有不匹配不确定性的高阶严格反馈非线性系统，现有技术研究了固定时间状态反馈控制器设计问题。注意到实际中的很多系统可以转化为多输入系统，现有技术考虑了干扰不确定非完整系统的固定时间镇定控制器设计问题。另一方面，为满足实际的需求，约束非线性系统控制问题显得格外重要，例如桥式起重机在作业过程中，台车必须在一定的运行范围内运行，一旦台车超出运行界，便会与边界发生激烈的碰撞，造成安全事故。最近几年，带有状态约束或输出约束的非线性系统的控制设计成为了新的研究热点，其中障碍李雅普诺夫函数法主要用来处理链式非线性系统的约束控制问题。现有技术研究了带有输出约束的不确定欠驱动水面船舶的自适应神经网络轨迹跟踪控制问题。同时现有技术研究了带有输出约束和输入死区的机械臂系统的自适应神经网络跟踪控制。然而现有技术还不能解决带有输出约束的机械臂系统的固定时间轨迹跟踪控制问题，新的技术还尚待提出。

发明内容

本发明为了解决上述问题，提出了一种带有输出约束的机械臂系统的固定时间跟踪控制方法，本发明利用障碍李雅普诺夫函数法和增加幂积分器技术，有效的解决了带有输出约束的机械臂系统的固定时间轨迹跟踪控制问题。

为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种带有输出约束的机械臂系统的固定时间跟踪控制方法，包括以下步骤：

描述刚体结构机械臂系统的动态方程；

不考虑外部干扰时，利用障碍李雅普诺夫函数法和有限时间控制算法，设立连续的固定时间轨迹跟踪控制律；