[发明专利]存在外界扰动的柔性机械臂扰动观测控制方法

摘要

本发明公开了一种存在外界扰动的柔性机械臂扰动观测控制方法，用于解决现有柔性机械臂扰动控制方法控制精度差的技术问题。技术方案是对具有非最小相位特性的柔性机械臂动力学模型进行输出重定义，进一步得到输入输出子系统以及内部动态子系统。针对内部动态子系统的镇定采用状态反馈控制；针对输入输出子系统中存在未知干扰采用非线性扰动观测方法设计控制器实现系统跟踪，提高了控制精度。

主权项

1.一种存在外界扰动的柔性机械臂扰动观测控制方法，其特征在于包括以下步骤：步骤一、n自由度柔性机械臂的动力学模型为：其中，M为正定对称惯性矩阵，是与哥氏力和向心力相关的项，D₁、D₂为阻尼矩阵，K₂为刚度矩阵，u为关节输入力矩，[θT，δT]T＝[θ1…θn…δ1，1…δ1，m…δn，1…δn，m]T是由机械臂关节角和柔性模态组成的广义矢量，θi为第i个关节角变量，δi,j是第i个连杆的第j个模态变量，fd为由关节摩擦以及柔性连杆的振动阻尼引起的外部干扰项；定义式(1)进一步写为：针对系统具有的非最小相位特性，进行输出重定义：其中，φi,j是第i个连杆的第j个模态形函数，li是第i个连杆的长度，α＝[α1,α2,…αn]T为跟输出重定义有关的参数向量，‑1＜αi＜1与输出重定义有关具体参数由设计者选定；式(3)写成矩阵形式为：y＝θ+Cδ    (4)其中，步骤二、结合式(2)‑(4)得到：其中，B＝H₁₁+CH₂₁，B₀为通过系统标称信息所得标称值，即B＝B₀+ΔB，d＝(H₁₁+CH₂₁)f_d；定义式(5)改写为：输入输出子系统为：内部动态子系统为：其中，u_ex为输入输出子系统的控制输入，u_in为内部动态子系统的控制输入，F(θ,δ)＝H₂₁；步骤三、定义误差信号e1＝μ1‑yr，yr为关节角期望值，设计虚拟控制量；其中，k1为正定对称非奇异矩阵，其具体参数由设计者给定；定义误差信号e₂＝μ₂‑u_2d，定义设计扰动观测器为：其中，k_d为正数其具体参数由设计者给定，为中间变量，具体形式如下：设计控制器：其中，k2为正定对称非奇异矩阵由设计者给定；针对内部动态子系统，采用状态反馈控制器：控制增益k_δ和采用极点配置得到；机械臂系统控制器输入为u＝uex+uin步骤四、根据得到的关节输入力矩u，返回柔性机械臂动力学模型(2)和输出重定义(3)，对关节角进行跟踪控制。