[发明专利]基于自抗扰和反演技术的单臂机械手控制器及其设计方法

说明书

本发明公开了基于自抗扰和反演技术的单臂机械手控制器及其设计方法。以单臂机械手为被控对象、输出位置信号为被控变量，考虑输入限幅和控制精度等因素，所述的控制器结构由2个子控制器组成，第1子控制器输出的端与第2子控制器的输入端相连，第2子控制器的输出端与单臂机械手的输入端连接。本发明利用扩张状态观测器不依赖系统模型的特点，实时估计并补偿建模误差的影响；设计辅助系统处理控制量限幅问题；进一步，采用预定义跟踪性能函数来改善收敛的精度与速度。在保证系统稳定的基础上，提出的含辅助系统和预定义性能函数的单臂机械手控制器能够使系统输出信号跟踪期望轨迹，并能有效处理系统不确定性、提高系统的收敛精度与速度等问题。

技术领域

本发明属于工业过程控制技术领域，具体涉及基于自抗扰和反演技术的单臂机械手控制器及其设计方法。

背景技术

工业机械手是近代自动控制领域中出现的一项新技术，并已成为一门新兴的学科——机械手工程。在单臂机械手中，机械手的关节角位移是其自身一个重要输出的量，是实际系统中经常需要的控制量。在很多的实际生产中，受驱动系统功率的限制，单臂机械手的速度、角速度必然会有一定的上限，从而使控制量具有饱和特性。该特性对系统的跟踪误差和稳定性都有影响，在2010年，陈谋提出了采用辅助系统对控制量的输入饱和特性进行处理。而本发明在控制器的设计中，利用在反演设计的每一步中都嵌入自抗扰技术(ActiveDisturbance Rejection Control)，该控制器凭借其设计过程简单，使其对单臂机械手控制的研究具有最直接的现实意义。

自抗扰技术是由韩京清先生提出的，其核心是把被控对象化为简单的“积分串联型”来控制，把对象中异于“积分串联型”的部分当成“总扰动”来进行处理。在ADRC技术诞生之初，由于控制器中扩张状态观测器(Extended state observer,ESO)收敛性和稳定性等问题一直未被普及，直到黄一等人从“自稳定域”的角度分析了二阶ESO的估计误差及其收敛性，二阶ADRC的相关分析才得到进一步完善与普及。其中跟踪微分器(Trackingdifferentiator,TD)使得在经典意义下不可微的函数却有其广义导数，而ESO不仅可以一致地逼近系统中的不确定项，并且能估计出系统中的未知状态，并能有效的抑制系统中的扰动。自抗扰控制技术最初被应用于工业，尤其在二阶ADRC完善后，其被广泛的应用在电机控制、飞行控制、机器人控制等工业控制系统中。在2009年，KPTee提出了针对n阶仿射非线性系统选取非对称李雅普诺夫函数使系统的跟踪误差在上下限为不同恒值的集内；在2016年，王敏利用预定义跟踪性能函数使系统的收敛速度加快、收敛精度变小、跟踪误差始终处于预定义函数的界内；在2014年，程春华提出了针对非仿射非线性系统，在每一个子系统中利用自抗扰技术进行反演设计；在2016年，冉茂鹏在利用自抗扰技术的基础上，采用动态反演技术设计了使系统镇定的控制律。

在实际的应用中，对单臂机械手控制时，无法避免系统中的不确定项和扰动对控制性能的影响；以及被控对象对自身的力矩固有的限幅特性，即输入饱和的问题；和收敛精度与速度偏大，无法达到精准控制的难题。

发明内容

本发明根据现用背景技术的不完善与不足，基于自抗扰和反演技术对单臂机械手位置实现控制，在每一个子系统中采用自抗扰技术设计反演控制技术，利用扩张状态观测器不依赖系统模型的特点，实时估计并补偿建模误差的影响；设计辅助系统处理控制量限幅问题；进一步，采用预定义跟踪性能函数来改善收敛的精度与速度。在保证系统稳定的基础上，解决了系统不确定性、输入饱和、收敛精度与速度偏大的难题。

为了实现以上的技术目的，本发明将采取以下技术方案：

基于自抗扰和反演技术的单臂机械手控制器，以单臂机械手为被控对象，包括第1子控制器和第2子控制器，单臂机械手的输出端分别与第1子控制器和第2子控制器相连，第1子控制器输出的端与第2子控制器的输入端相连，第2子控制器的输出端与单臂机械手的输入端连接，