[发明专利]一种基于干扰观测器的柔性关节机械臂的滑模控制方法

说明书

(一)技术领域

本发明涉及一种欠驱动柔性关节机械臂的滑模控制方法，尤其涉及一种基于干扰观测器的柔性关节机械臂的滑模控制方法，它用于控制柔性关节机械臂连杆角度，属于自动控制技术领域。

(二)背景技术

柔性关节机械臂是特殊机械手的一种结构形式，是典型的欠驱动系统。欠驱动系统是指系统的独立控制变量个数小于系统自由度个数的一类非线性系统，在节约能量、降低造价、减轻重量、增强系统灵活度等方面都较完全驱动系统优越。简单的说就是输入比要控制的量多的系统。欠驱动系统结构简单，便于进行整体的动力学分析和试验。同时由于系统的高度非线性、参数摄动、多目标控制要求及控制量受限等原因，欠驱动系统又足够复杂，便于研究和验证各种算法的有效性。当驱动器故障时，可能使完全驱动系统成为欠驱动系统，欠驱动控制算法可以起到容错控制的作用。从控制理论的角度看，欠驱动系统控制输入的限制是具有挑战性的控制问题，研究欠驱动机械系统的控制问题有助于非完整约束系统控制理论的发展。

近年来，滑模控制方法因其所具有的优良特性而受到越来越多的重视。该方法通过自行设计所需的滑模面和等效控制律，能快速响应输入的变换，而对参数变换和扰动不敏感，具有很好的鲁棒性，且物理制作简单。在滑模控制中，当存在控制扰动时，需要增大滑模控制器的增益，这就不可避免地产生抖振。采用滑模控制和干扰观测器相结合的方法，通过在滑模控制器中加入扰动补偿，可有效地消除抖振，同时实现该欠驱动系统的鲁棒控制。

(三)发明内容

1、发明目的

本发明的目的是提供一种基于干扰观测器的柔性关节机械臂的滑模控制方法，该方法设计欠驱动柔性关节机械臂的滑模控制器，其中切换控制用来保证不确定外扰存在下的到达过程。通过设计干扰观测器，在滑模控制器中加入扰动补偿，可有效地消除抖振，实现该欠驱动系统的鲁棒控制。

2、技术方案

为了达到上述目的，本发明结合流程框图1中的步骤，具体介绍该设计方法的技术方案。

本发明一种基于干扰观测器的柔性关节机械臂的滑模控制方法，该方法具体步骤如下：

步骤1：欠驱动柔性关节机械臂系统的分析与建模

本发明所针对的系统是欠驱动柔性关节机械臂系统，工作原理如图2所示。根据动力学方程，对欠驱动柔性关节机械臂系统进行分析，便可得到其数学模型如下：

Iq··+K(q-qm)+Mglsinq=0]]>(1)

Jq··m-K(q-qm)=u]]>

其中：q表示柔性关节机械臂连杆角度，q_m表示电机转子角度，I表示柔性关节机械臂转动惯量，J表示电机转子转动惯量，K表示关节刚度系数，M表示柔性关节机械臂连杆质量，g表示重力加速度，l表示关节到杆质心的距离，u表示电机转矩。

系统的控制目标为柔性关节机械臂连杆角度q，设跟踪的理想角度为q_d，定义跟踪误差为e＝q-q_d。

令x₁＝q，x₃＝q_m，则式(1)可写为