[发明专利]一种针对单连杆机械臂的自适应输出反馈控制方法

说明书

本发明公开了一种针对单连杆机械臂的自适应输出反馈控制方法。该方法为：首先，对单连杆机械臂进行建模，得到机械臂的状态空间模型；然后针对系统不可量测的状态构造相应的状态补偿器，引入一个自适应动态高增益，对系统状态进行估计；接着对系统进行坐标变换，引入一个可调的常增益，得到变换后的新系统；再基于双重控制法对新系统设计自适应输出反馈控制器；最后利用李雅普诺夫稳定性理论，确定可调的常增益的取值范围，实现全局镇定闭环系统。本发明能在单连杆机械臂存在不确定参数下，基于自适应思想很好的估计系统的未知状态，并且实现对非线性机械臂系统的有效控制，使其能在随机扰动的影响下趋于稳定。

技术领域

本发明属于机器人技术领域，特别涉及一种针对单连杆机械臂的自适应输出反馈控制方法。

背景技术

随着科学技术不断向智能化方向发展，机器人已成为了一种综合计算机、信息和传感技术、控制论、人工智能等多学科的高新技术产业，为提升工业自动化水平发挥了巨大作用。机械臂作为工业机器人的一种典型代表，能模仿人手和臂的某些动作功能，是一种以按固定程序抓取、搬运物件或操作工具的自动操作装置。它可代替人的繁重劳动，以实现生产的机械化和自动化，能在有害环境下操作以保障人身安全，因而广泛应用于机械制造、冶金、电子、轻工等部门。

单连杆机械臂可建模为一类非线性系统。由于传感器的测量以及信号传输的延迟，往往导致系统出现时滞现象，这对系统的性能会造成很大的影响，因此，如何对单连杆机械臂设计一个能够抵消系统时滞影响的控制器显得越来越重要。在非线性时滞系统的分析过程中，最常用的工具就是Lyapunov–Krasovskii泛函，借助于此工具产生了很多非线性时滞系统的分析方法。目前，针对时变时滞的导数上界已知的研究已相当成熟。然而，当上界信息无法得到时，相关研究还涉及不多，亟待解决。

在实际应用中，存在环境因素、气候因素、机械故障、元器件老化、电子噪声等很多随机不确定性因素，单连杆机械臂可进一步建模为一类随机不确定非线性时滞系统，国内外诸多学者开始致力于相关控制方法的研究。不确定因素是客观存在且难以避免的，会对系统产生重大影响。自适应控制是研究不确定非线性系统的有效方法之一。自适应控制器能修正自己的特性以适应对象和扰动的动态特性的变化，通过时变的动态增益来解决系统中的“不确定性”。

另一方面，由于量测技术和量测工具的有限性使得传感器无法准确地检测系统状态，则系统真实输出和状态之间的精确关系很难得到。因此，用于设计控制器的系统量测输出和系统状态之间的函数关系往往是未知的，这种输出函数的未知性给控制器设计带来了极大的挑战。现有的一些研究依赖于系统输出函数处处可微或局部Lipschitz连续，但在许多实际系统中难以满足。

发明内容

本发明的目的在于提供一种针对单连杆机械臂的自适应输出反馈控制方法，能够估计系统的未知状态，并且实现对非线性机械臂系统的有效控制，使其能在随机扰动的影响下趋于稳定。

实现本发明目的的技术解决方案为：一种针对单连杆机械臂的自适应输出反馈控制方，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1、对单连杆机械臂进行建模，得到具有随机扰动影响的不确定非线性系统模型，不确定因素包含未知增长率、未知控制方向、未知输出和未知时滞；

步骤2、针对不可量测的系统状态，设计动态补偿器对系统状态进行估计；

步骤3、基于估计的状态和系统输出，设计自适应输出反馈控制器；

步骤4、利用李雅普诺夫稳定性理论，确定坐标变换中引入的可调常增益M的范围，对单连杆机械臂进行控制。