[发明专利]一种电驱动机械臂伺服系统的时变约束反演控制方法

说明书

一种电驱动机械臂伺服系统的时变约束反演控制方法，包括:(1)建立机械臂伺服系统模型，通过初始化系统状态及控制参数得到机械臂伺服系统的状态空间模型；(2)设计误差向量和改进的边界李雅普诺夫函数，并根据改进的边界李雅普诺夫函数设计反演控制器；所述改进的边界李雅普诺夫函数在系统误差变大并接近边界时，会导致控制信号增大，增强控制效果，并使误差减小，最终保持在边界允许的范围内；所述改进的边界李雅普诺夫函数引入了自然常数e；所述误差向量包括关节位置向量误差和关节速度向量误差。本发明能提供的控制方法可以有效消除系统的超调过大问题，使机械臂伺服系统能够实现精确的跟踪控制。

技术领域

本发明涉及一种电驱动机械臂伺服系统的时变约束反演控制方法，特别是对于关节位置和关节速度受非对称时变约束的电驱动机械臂伺服系统的反演控制方法。

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，滑模控制及反演控制等。如公开号为CN106338911A的中国专利文献公开了一种应用于回转式机电作动器伺服系统的专家PID控制方法，位置环PID控制如下：(1)将回转式机电作动器伺服系统阶跃响应分为作用响应期，超调上升期，超调下降期，作用下降期；建立专家规则库，该专家规则库表征各时域阶段的比例、积分、微分系数调整率关系，该调整率与位置误差及误差变化率有关；(2)形成控制误差与控制误差变化率；(3)根据控制误差与控制误差变化率判断处在伺服系统阶跃响应哪个时域阶段，并查询专家规则库，形成比例系数调整率、积分系数调整率、与微分系数调整率；(4)利用上述结果对比例、积分、微分系数进行实时修正，产生位置环输出，经速度环、电流环，作用于回转式机电作动器，产生机械运动输出。公开号为CN104238361A的中国专利文献公开了一种具有渐进跟踪性能的电机伺服系统自适应鲁棒位置控制方法，其实现包括以下步骤：步骤1、建立电机伺服系统数学模型；步骤2、配置自适应律对电机伺服系统中的不确定性参数进行估计；步骤3、配置具有渐进跟踪性能的电机伺服系统自适应鲁棒位置控制器；以及步骤4、确定电机伺服系统中相关参数和函数使得电机伺服系统的位置输出准确地渐进跟踪期望的位置指令，并且使电机伺服系统的输入无抖动现象产生。

其中由于反演控制通过反向设计使李雅普诺夫函数和控制器的设计过程系统化、结构化，降低了复杂度，同时可以控制相对阶为n的非线性系统，消除了经典无源性设计中相对阶为1的限制等优点，在机械臂伺服系统中的应用已经越来越明显。

在传统的机械臂控制器设计中，很少有考虑机械臂关节位置误差和关节速度误差的限幅问题，从而设计出的控制器往往在运行初期有很大的超调。在实际应用中，太大的超调不但影响系统的定位精度和跟踪性能，甚至会对系统的执行器件造成损坏。同时，系统在实际运行期间的误差限幅不一定是上下对称的也不一定是固定不变的，可能在运行期间发生变化。因此，如何限制系统的超调，使误差始终保持在限幅内，是机械臂伺服系统控制中亟待解决的问题。

发明内容

本发明提出的目的在于提供一种电驱动机械臂伺服系统的时变约束反演控制方法，该方法采用一种改进的边界李雅普诺夫函数，并结合反演控制方法设计控制器，使关节位置和关节速度受非对称时变约束的机械臂伺服系统能够精确定位和跟踪，并使误差始终保持在限幅内。

为了解决上述技术问题提出的技术方案如下：

一种电驱动机械臂伺服系统的时变约束反演控制方法，包括以下步骤：

(1)建立机械臂伺服系统模型，通过初始化系统状态及控制参数得到机械臂伺服系统的状态空间模型；