[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

说明书

本发明涉及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，首先，建立含摩擦、传动误差和刚度非线性等多源干扰在内的谐波减速器传动模型，利用模型信息设计干扰观测器来估计由摩擦和挠性构件引起的未知迟滞力矩；其次，将系统未建模动态、外部扰动以及干扰观测器未补偿部分，视为集总扰动，设计扩张状态观测器来估计并通过反馈控制律补偿；最后针对估计误差带来的相位滞后，设计扩张状态观测器相位优化律予以消除，从而增强扩张状态观测器对总扰动的估计能力。以上基于相位优化的强抗扰控制方法将干扰观测器和相位优化扩张状态观测器有效结合，能够更好地估计多源扰动，增强谐波减速器输出力矩的跟踪控制精度。

技术领域

本发明涉及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，可实现谐波减速器摩擦、传动误差和刚度非线性多源干扰估计与补偿，可用于精密机电减速控制。

背景技术

谐波减速器具有近零齿隙、紧凑、重量轻、扭矩大、高齿轮传动比和同轴装配的优点，这些特性使得谐波驱动适用于精确的运动机构，如轻量级机器人/操作机、力反馈触觉装置和线控转向系统。例如，詹姆斯·韦伯太空望远镜要求转向精度为0.004角秒。高精度的转向需求对谐波传动的转速/力矩控制能力提出了极高的要求，然而，由于摩擦、传动误差和刚度非线性等固有因素的存在，谐波传动输入与输出转速/力矩之间具有复杂的动力学关系。首先，摩擦耗散的作用，使得传输功率损失超过10％，输出力矩低于预期。研究发现，谐波传动中速度相关的阻尼在速度较高时增加幅度小于低速时，甚至在速度非常高时，结构阻尼可能会减小。这种不规则的摩擦、阻尼变化给谐波传动高精度转速/力矩控制带来巨大挑战。其次，谐波减速器输出端与输入端之间的传动误差，直接影响传动系统的精度，并与多种干扰耦合，难以准确建模。再次，谐波减速器中的挠性构件在高径向力作用下会发生变形并导致扭转刚度相对较低，且刚度非线性会带来位移和迟滞损失。然而，迟滞损失是比刚度非线性更难建模的对象，通常会被忽略。迟滞不仅与系统当前状态相关，还与状态的历史值相关，忽略迟滞的转速/力矩控制往往使得控制精度下降，在系统状态快速变化时，甚至导致系统失稳。最后，谐波传动转速/力矩传感器不可避免存在量测噪声，使用量测信号构造输出转角或转速变化率抑制系统固有振动频率的同时也引入了噪声，进一步制约了转速/力矩控制系统的提升，影响闭环系统的性能。

针对多源干扰存在下，谐波减速器高精度转速/力矩控制难题，现有的研究较少，对谐波减速器结构性能优化和动力学探究的建模工作要多于控制工作。已应用与谐波传动的控制方法有PID控制、滑模控制和自适应控制等。其中PID控制因结构简单、不依赖于被控对象模型特性，至今仍在工业控制中占据主导地位。但PID控制也有局限，完全放弃使用系统模型信息、微分难以实现且会放大噪声和积分带来控制饱和。滑模控制可以提高响应速度，增加鲁棒性，但不可避免会引入抖振。自适应控制仅对系统参数摄动有效，对结构变化和外部干扰的处理能力有限。

为了提升传统方法的抗干扰能力，并突破仅对单一同质干扰抑制的局限性，基于干扰观测器的控制得到了极大的发展。目前主流的干扰观测器有两类：使用系统或干扰信息的干扰观测器和不使用这些信息的扩张状态观测器。然而，基于这两种观测器形成的控制方法都有其局限性：首先，基于干扰观测器控制(DOBC)估计可建模干扰时，忽略了以模型误差为主的非线性动态；然后，基于扩张状态观测器控制(ADRC)估计干扰时，对扰动已知的特征信息利用不足，保守性大。针对摩擦、传动误差和刚度非线性等多源干扰同时存在的谐波减速器高精度转速/力矩控制问题，各种干扰与状态相互耦合、非线性动态与干扰估计误差相互影响以及量测噪声对观测器带宽的限制都给转速/力矩控制系统的多源干扰补偿和抑制带来困难，因此，需要对谐波减速器中存在的多源干扰进行建模和表征，并结合DOBC和ADRC各自的优势，设计干扰观测器估计动态已知的迟滞力矩，在相位优化扩张状态观测器的设计中，利用总扰动信息的变化率，实现对谐波减速器摩擦和传动误差等干扰的实时在线估计与闭环补偿以及对量测噪声滤波抑制，完成谐波传动系统高精度转速/力矩控制，为精密机电减速控制提供理论基础和技术支撑。

发明内容