[发明专利]一种基于反步策略与滑膜策略的机械臂容错控制方法及系统

说明书

本发明公开了一种基于反步策略与滑膜策略的机械臂容错控制方法及系统，包括：建立机械臂系统的故障动态模型；基于上述模型，利用反步设计方法，构造虚拟控制器；再利用一阶滑膜微分器对虚拟控制器的导数进行有效的估计；运用自适应估计对系统模型存在的未知参数及故障参数进行处理；再次利用反步设计方法，借助自适应估计、滑膜估计的结果，并通过双曲函数设计最终的控制器。本公开将一阶滑膜微分器应用到反步设计中，有效的避免了虚拟控制器求导的“爆炸复杂性”问题的产生，在机械臂控制器发生故障的情况下达到了机械臂转动角度有界跟踪目标信号的控制目的。

技术领域

本发明属于控制技术领域，尤其涉及一种基于反步策略与滑膜策略的机械臂容错控制方法。

背景技术

本部分的陈述仅仅是提供了与本公开相关的背景技术信息，不必然构成在先技术。

发明人在研究中发现，随着机器人的发展，机械臂控制系统的研究也得到了广泛的关注。控制器故障是工程应用中普遍出现的问题，如果机械臂的控制器发生故障时不能得到及时有效的处理，后果将不堪设想。

近年来，为了保证工程的可靠性和安全性，机械臂容错控制研究成为了一个备受关注又具有挑战的课题。一方面，以反步设计为代表的结构设计技术在20世纪80年代被提出，而自反步设计被研究者引入到机械臂系统以来，它逐渐成为研究机械臂系统相关问题的一种不可或缺的基础性方法。

另一方面，近年来，滑模协议以其响应速度快、物理实现简单等优点逐渐受到学者们的关注，并产生了一系列的研究成果；由滑模控制发展而来的一阶滑膜微分器是解决典型的反步设计方法在虚拟控制器的求导时出现的“复杂性爆炸”困难的一个重要途径，然而这种方法并未应用到解决机械臂的控制器发生故障的研究中。

发明内容

为克服上述现有技术的不足，本发明提供了一种基于反步策略与滑膜策略的机械臂容错控制方法，并且借助自适应方法与双曲函数特性而设计的机械臂容错控制策略。

为实现上述目的，本发明的一个或多个实施例提供了如下技术方案：

一种基于反步策略与滑膜策略的机械臂容错控制方法，包括：

建立机械臂系统的故障动态模型；

基于上述模型，利用反步设计方法，构造虚拟控制器；

利用一阶滑膜微分器对虚拟控制器的导数进行有效的估计；

运用自适应估计对系统模型存在的未知参数及故障参数进行处理；

再次利用反步设计方法，借助自适应估计、滑膜估计的结果，并通过双曲函数设计最终的控制器。

进一步的技术方案，机械臂系统的故障动态模型：

其中：J表示发动机的转动惯量，M是刚性连杆的质量，q是刚性连杆的角度，B是阻尼系数，l是轴向中心的长度，g是重力加速；其中：

u(t)为实际控制输入，0＜k-≤k_j≤1、为故障参数，v(t)为设计控制器.和分别代表故障开始时间和结束时间，并且和m为故障发生的总个数，s是start，e是end。

将该系统进一步表示为以下数学模型：

其中：x₁＝q、表示未知参数。