[发明专利]一种基于相位优化的谐波减速器输出力矩强抗扰控制方法

权利要求书

1.一种基于相位优化的谐波减速器输出力矩强抗扰控制方法，其特征在于，包括以下步骤：

第一步，建立包括摩擦、传动误差和刚度非线性的多源干扰的谐波减速器动力学模型；

第二步，根据第一步所述谐波减速器动力学模型，设计干扰观测器对迟滞力矩进行估计；

第三步，对第一步中谐波减速器动力学模型的误差参数不确定、未建模动态和外部干扰，设计相位优化扩张状态观测器进行估计；

第四步，根据第二步中的干扰观测器和第三步中的相位优化扩张状态观测器的输出，构建基于相位优化的强抗扰控制器，并通过控制器带宽和观测器带宽的极点配置实现预期的控制性能。

2.根据权利要求1所述一种基于相位优化的谐波减速器输出力矩强抗扰控制方法，其特征：所述第一步具体实现如下：

针对谐波齿轮传动机构中固有的应力接触摩擦损失、挠性构件扭转刚度不足产生的迟滞非线性，并同时考虑传动误差和刚度非线性间的耦合关系，建立包含摩擦、传动误差和刚度非线性的谐波减速器动力学模型如下：

Σ₁:

式中，J_i和J_o分别表示谐波减速器输入端和输出端的转动惯量；B_h表示谐波减速器内部的阻尼系数；θ_i和θ_o分别表示输入端和输出端旋转角度；f(·)表示谐波减速器输入端和输出端之间的刚度非线性，b₂表示传动误差二倍频系数，N表示谐波减速器传动比，τ_f表示摩擦损失，τ_m表示谐波减速器输入端扭矩，q表示迟滞，α和A为迟滞模型参数，d表示外部随机干扰；其中，刚度非线性以原点对称的奇函数建模为：

f(θ)＝a₁θ+a₂θ³+a₃θ⁵

a₁,a₂,a₃为刚度非线性函数f(·)的系数；

针对谐波齿轮传动中存在的非线性摩擦τ_f，将其分为静态和动态两部分：

τ_f＝F+τ_p

式中F表示静态平均摩擦项，τ_p表示与位置相关的动态摩擦项，其中静态平均摩擦动力特性用Lund-Grenobel(LuGre)模型描述：

Σ₂:

式中z表示接触面相对运动中鬃毛的平均位移，σ₀表示摩擦特性的刚度，σ₁和σ₂分别表示和对应的阻尼系数，F_s表示静态摩擦，F_c表示库伦摩擦，v_s表示Stribeck速度，g(·)为摩擦内部函数；由于输入端的角速度通过传感器测量，静态平均摩擦模型参数通过先验知识获取；

动态摩擦与位置相关，描述为：

Σ₃:

式中，a和b为摩擦模型参数，N_f(θ_i)表示与输入位置相关的非线性函数,可用有限个的傅里叶函数逼近，a_fi,i＝0,…n；b_fi,i＝1,…n为傅里叶系数。

3.根据权利要求1所述一种基于相位优化的谐波减速器输出力矩强抗扰控制方法，其特征：所述第二步具体实现如下：

取谐波减速器的系统状态将谐波减速器的动力学模型重写为：

Σ₄:

式中，u＝τ_m表示控制输入，y＝θ_o+v表示量测输出，v表示量测噪声；

对因应力接触造成的摩擦、挠性构件造成的扭转刚度不足导致的迟滞，构造如下干扰观测器：

Σ₅:

式中其中表示对迟滞干扰力矩的估计，w为干扰观测器内部虚拟状态，K为干扰观测器增益。