[发明专利]一种基于扩张状态观测器的机械臂高精度运动控制方法

说明书

本发明提出了一种基于扩张状态观测器的机械臂高精度运动控制方法，首选建立具有模型不确定性的机器臂系统状态方程：建立机械臂系统名义模型；考虑外界干扰因数造成的不确定项，建立机械臂系统名义模型；建立具有模型不确定性的机器臂系统状态方程；基于反步法设计机械臂控制器；基于扩张状态观测器设计机械臂控制器：设计一个状态观测器对不确定集合进行观测从而在控制器中加以补偿，设计扩张状态观测器对模型不确定性及干扰进行估计；基于扩张状态观测器设计机械臂系统控制器。本发明的方法具有良好的鲁棒作用，并能够保证对跟关节的角度进行很好的跟踪。

技术领域

本发明属于机械臂控制领域，特别是一种基于扩张状态观测器的机械臂高精度运动 控制方法。

背景技术

机械臂作为一种机电一体化设备,能够高效的完成各种复杂和危险的作业,提高生 产效率，在工业、日常生活中得到广泛的应用。近年来该领域的快速发展，使得对机械臂的高精度运动控制提出更高的要求。但机械臂系统作为一种复杂的非线性系统，存在 结构和非结构不确定性,如未建模干扰，非线性摩擦，参数不确定性，外部干扰等。这些 不确定性的存在，对机械臂的运动控制精度带来很大的影响，从而加大控制器的设计难 度。

对于机械臂的运动控制，常用的控制方法有前馈补偿控制、计算力矩法、自适应鲁棒控制方法等；前馈补偿控制、计算力矩法需要基于精确的机械臂模型。在实际工程中， 由于以上不确定性，很难得到精确的机械臂数学模型，使得这些控制方法在实际工程中 难以应用；自适应鲁棒控制方法针对系统中的参数不确定性，设计恰当的在线估计策略 对其进行估计；对可能发生的外干扰等不确定性非线性，通过提高非线性反馈增益对其 进行抑制进而提升系统性能。由于大的非线性反馈增益往往导致设计的保守性(即高增 益反馈)，从而使其在工程使用中有一定困难。然而，当外干扰等非结构不确定性逐渐 增大时，所设计的自适应鲁棒控制器会引起跟踪性能恶化，甚至出现不稳定现象。

针对机械臂中存在的模型不确定性及外部扰动，设计一种基于扩张状态观测器(ESO)的鲁棒控制器用于机械臂系统控制。所提出的方法在系统存在结构不确定性和 非结构化不确定性的情况下具有较好跟踪性能。

发明内容

本发明的目的在于提供一种基于扩张状态观测器的机械臂高精度运动控制方法，以 提高机械臂的控制精度。

实现本发明目的的技术解决方案为：

一种基于扩张状态观测器的机械臂高精度运动控制方法，包括以下步骤：

步骤1、建立具有模型不确定性的机器臂系统状态方程；

首选建立机械臂系统名义模型；考虑外界干扰因数造成的不确定项，建立机械臂系 统名义模型；建立具有模型不确定性的机器臂系统状态方程；

步骤2、基于反步法设计机械臂控制器；

步骤3、基于扩张状态观测器设计机械臂控制器：设计一个状态观测器对不确定集合进行观测从而在控制器中加以补偿，设计扩张状态观测器对模型不确定性及干扰进行估计；基于扩张状态观测器设计机械臂系统控制器。

本发明与现有技术相比，其显著优点：

本发明的基于扩张状态观测器的机械臂高精度运动控制方法对同时存在参数等结 构不确定性以及外干扰等非结构不确定性有良好的鲁棒作用，并能够保证对跟关节的角 度进行很好的跟踪。

下面结合附图对本发明作进一步详细描述。

附图说明

图1为本发明方法的流程图。

图2为实施例中双关节机械臂结构图。