[发明专利]多关节工业机械臂反步有限时间滑模控制方法

说明书

本发明公开了一种考虑系统总和扰动的多关节工业机械臂反步有限时间滑模控制方法，具体步骤如下：建立多关节工业机械臂系统模型；为精确估计系统总和扰动项，设计系统三阶扩张状态观测器；在系统总和扰动估计的基础上，针对系统模型(2)，结合反步设计思想和有限时间滑模控制技术进行系统反步有限时间滑模控制律设计。本发明对于模型参数摄动和外部有界扰动等不确定性因素具有较强的鲁棒性，可以保证对系统期望轨迹的快速稳定有限时间跟踪控制，使所设计的控制方法便于在实际工程中的应用。

技术领域

本发明涉及机械臂控制方法领域，具体是一种多关节工业机械臂反步有限时间滑模控制方法。

背景技术

近些年来，伴随着制造业技术的进步和劳动力成本的提高，工业机械臂被广泛应用于工业生产的各个领域，扮演着越来越重要的作用。在工业机械臂的实际应用中，往往要求其能够快速且精确地跟踪期望的轨迹，从而完成规定的作业任务。然而，在实际工业现场环境，工业机械臂系统通常会面临模型参数摄动和外部扰动等不确定性因素的影响，如负载变化、摩擦力矩扰动以及系统外部扰动等。因此，实现工业机械臂的快速高精度跟踪控制仍是一个极具挑战性的问题。

为了抑制不确定性因素对机械臂跟踪控制性能的影响，许多控制方法被应用于机械臂的跟踪控制问题。如鲁棒控制方法、模型预测控制方法、神经网络控制方法、滑模控制方法等。在这些方法中，由于滑模控制方法具有控制器计算量小、对系统参数摄动和外部干扰具有很强的鲁棒性等优点，使得其特别适合工业机械臂系统的跟踪控制。然而，在传统的滑模控制方法中，由于采用线性滑模面系统状态无法做到有限时间内收敛，为了加快系统状态的收敛速度，控制器往往需输出很大的控制量，这极易引起系统执行机构进入饱和状态，从而使得系统控制性能下降甚至整个闭环系统的不稳定。

发明内容

本发明的目的是提供一种多关节工业机械臂反步有限时间滑模控制方法，以解决现有技术机械臂控制方法存在的问题。

为了达到上述目的，本发明所采用的技术方案为：

多关节工业机械臂反步有限时间滑模控制方法，其特征在于：包括以下步骤：

(1)、建立多关节工业机械臂系统模型，具体过程如下：

对于n关节工业机械臂系统，如果考虑系统未建模动态、摩擦力及干扰的影响，其动力学模型可表示为：

式(1)中，分别表示关节的位置、速度和加速度矢量；M(q)∈R^n×n为系统正定惯性矩阵；为离心力和哥氏力矩阵；G(q)∈Rⁿ为作用在关节上的重力项矢量；τ∈Rⁿ为控制力矩矢量，表示作用在工业机械臂各关节上的驱动力矩；d(t)∈Rⁿ为外部未知有界扰动矢量，其中t表示时间；

由于工业机械臂系统存在包括负载扰动、测量噪声及系统外部扰动的诸多不确定性因素，要想获得精确的系统模型是比较困难的，所以，实际系统的模型可以表示为名义系统模型和总和扰动项之和的形式：

式(2)中，M₀＝M-ΔM，M₀为M的名义部分，可依据经验确定，ΔM为M的不确定部分；可视为系统的总和扰动项，包括系统的内部动态、参数摄动项及外部未知有界扰动；

(2)、为精确估计系统总和扰动项，设计系统三阶扩张状态观测器，具体过程如下：

(2.1)、三阶扩张状态观测器设计：

由式(2)可知，系统的总和扰动项是未知的，需要设计扩张状态观测器进行在线估计；

设x₁＝[x₁₁,…,x_1n]^T＝q，同时定义系统扩张状态有界，则式(2)可被增广为：