[发明专利]一种单关节机械臂的自适应滑模迭代学习控制方法

说明书

本发明公开了一种单关节机械臂的自适应滑模迭代学习控制方法，旨在提供一种以一类重复运行的单关节机械臂为控制对象的自适应滑模迭代学习控制方法，其技术方案要点是，包括如下步骤：S1、建立单关节机械臂的动力学方程；S2、建立重复运行单关节机械臂的连续状态空间方程；S3、设计自适应滑模迭代学习控制器；S4、分析闭环控制系统误差收敛性。

技术领域

本发明涉及机器人控制领域，具体涉及一种单关节机械臂的自适应滑模迭代学习控制方法。

背景技术

随着工业机器人技术的快速发展，关节机械臂在汽车制造、电子装备和工程机械等领域中受到了广泛应用，可以协助或替代人类完成长时间、重复和危险环境下的工作，从而有效提高生产效率。单关节机械臂由于具有结构简单、体积小、质量轻、能耗低等特点，非常适合于装配、定位和搬运等重复性任务。然而，单关节机械臂系统是一含有未知时变参数和外部扰动的非线性系统，因此，针对重复运行环境下研究单关节机械臂高精度轨迹跟踪控制具有重要意义。

学习是人类特有的智能行为和不断进步的驱动力，近年来，利用系统重复运行特性并通过不断反复学习和纠错的学习型控制器是当前的研究热点，迭代学习控制(Iterative Learning Control,ILC)作为数据驱动控制方法的一个重要分支，正是在这种实际背景下应运而生的，该方法不依赖于系统的动力学模型，简单易实现，可以有效提高不确定重复运行动态系统的瞬态响应和跟踪性能。

目前，公开号为CN106514650B的中国专利公开了一种基于CANopen的多机械臂同步跟随控制方法，它包括结合对象字典，基于PDO协议对多机械臂进行PDO配置；分别设置主、从机械臂的运动模式以及各关节电机的运动模式；设定多机械臂各关节参考位置；计算得到从机械臂各关节跟随力矩控制量；对从机械臂各关节电机发送控制指令。

这种基于CANopen的多机械臂同步跟随控制方法虽然是适用于多种总线形式下支持CANopen协议的电机伺服多机械臂系统，基于本方法的系统结构简单、易于实现，对于主机械臂关节电机控制模式没有限制要求，但是这类系统结构往往是非线性的，执行重复性任务容易受到未知扰动影响。

发明内容

本发明的目的本发明的目的是解决一种单关节机械臂的自适应滑模迭代学习控制问题，提高系统收敛速度和扰动抑制性能。针对一类含有未知时变输入增益和迭代变化有界扰动的单关节机械臂系统，设计一种基于滑模技术的自适应迭代学习控制方法，构建合适的组合能量函数，保证跟踪误差收敛到很小的可容忍范围之中的优点。

本发明的上述技术目的是通过以下技术方案得以实现的：

一种单关节机械臂的自适应滑模迭代学习控制方法，包括如下控制计算步骤：

S1、建立单关节机械臂的动力学方程：

其中，q，和分别是关节角位移，关节角速度和加速度，m是机械臂质量，l是机械臂长度，g是重力加速度，I是转动惯量，u(t)是输入力矩，d(t)是系统扰动；

S2、建立重复运行单关节机械臂的连续状态空间方程：

将关节角位移q和角速度定义为系统状态x₁和x₂，系统输出定义为y＝x₁，则式(1)表示的单关节机械臂可描述为如下状态方程：

S3、设计自适应滑模迭代学习控制器

定义如下滑模变量

对(6)求导数，得到

考虑第i次迭代过程的非负函数并对其求导，得到