含预定义性能的多单臂机械手输出一致控制器及设计方法技术

本发明专利技术涉及一种含预设性能的多单臂机械手输出一致自抗扰控制器结构及设计方法，属于工业过程控制技术领域。具体涉及利用自抗扰技术与反演技术设计含有预设性能的多单臂机械手输出一致自抗扰控制器，利用扩张状态观测器不依赖系统模型的特点，可以实时估计并补偿扰动量的影响，使得所设计的控制器具有抗扰动性；设计跟踪微分器来简化复杂信号求导“爆炸”的现象；针对机械手系统受驱动力矩的约束，考虑到输入饱和特性，借助一辅助系统解决驱动力矩的限幅问题；采用预设性能函数提高输出一致误差的收敛速度与精度；该设计方案可以有效的估计系统未知动态、简化求导以及提高控制精度。

【技术实现步骤摘要】
含预定义性能的多单臂机械手输出一致控制器及设计方法
本专利技术涉及一种含预定义性能的多单臂机械手输出一致控制器及其设计方法，属于工业过程控制

技术介绍
随着科学技术的不断发展，多单臂机械手作为一种强大的工具出现在现代化的流水线生产工作中。单臂机械手存在灵活性差、效力低下的局限，其在较庞大的搬运、安装、检修和焊接工作中，单臂机械手在信息的收集和控制处理等一些方面都表现出了必然的局限性，而因为多单臂机械手较强的协调操作灵活性，较大的负载本领，可以完成繁琐多样的任务要求，所以，对多单臂机械手协作系统进行研究意义非凡，尤其在多智能体系统中，多单臂机械手输出一致控制器的设计意义重大，然而，其较为繁琐的控制问题是一个难题。将在该协调控制系统中的某一单臂机械手被认定为“领导者”，其他的“跟随者”可以跟踪领导者的输出信号，从而实现输出一致的控制目标，将此跟随“领导者”的一类单臂机械手称为“跟随者”。于2016年，李素云等人提出了一种基编码控制的多单臂机械手采摘机器人，可实现多个单臂机械手同时工作，极大地提高了作业的效率。但是在实际的工业作业过程中，需要多单臂机械手达到高精度的控制要求。在1998年，韩京清研究员提出了自抗扰控制这一理论，它是对非线性PID控制的“扬弃”，自发检测系统模型以及外部扰动并实时作用且予以补偿分量是自抗扰控制器的核心所在。在这一控制思想提出之日起，国内外学者就将目光投射到了其在实际工程的应用上，扩张状态观测器(ESO)不仅能实现对未知被控对象的状态估计，并能时时获得被控对象的总扰动量(内部扰动量和外部扰动量)，通过ESO就可以使被控对象成为线性系统的标准形：积分器串联型，在这个基础上理想的控制器能够较容易的设计出来。最初，针对一类非仿射型具有不确定性系统，韩京清给出了ESO的设计方法，之后韩京清利用分片光滑的李雅普诺夫函数给出了ESO的误差分析，并且给出了如何提高估计精度的方法。之后，一种非线性扩张状态观测器的设计方法由康忠健等人提出。随后，线性扩张状态观测器也被提出。利用ESO可实现良好估计的优点，陈强等人将ESO应用在永磁同步电机混沌系统的自适应滑模控制当中。周映江等人在设计分布式多无人机编队控制中，利用ESO对未知的系统扰动实时估计并补偿。跟踪微分器也是由韩京清于1989年所提出的，旨在解决存在噪声的信号在微分之后容易产生的严重噪声放大现象的问题，此时的跟踪微分器是非线性的，而之后一些学者提出了线性跟踪微分器。跟踪微分器被广泛应用于复杂函数以及未知函数的求导之中。Kanellakopoulos和Kokotovic所提出的反步法，对高阶的非线性系统体现出了一定的优越性，但是利用反步法设计控制器，却存在着虚拟控制律求导复杂的难点。而跟踪微分器恰好可以解决这一问题，因此出现了Backstepping的设计方法与自抗扰技术的相结合，这进一步推动了不确定非线性系统控制方法的研究。程春华等人结合反演技术与自抗扰技术，对每个子系统嵌入自抗扰技术，对一类非仿射非线性系统研究了其镇定控制和跟踪控制，输入状态稳定定理成功的验证了该控制策略的稳定性。进一步地，对于跟踪误差的要求也越来越高，出现了所谓的预定义性能，即在保证跟踪误差收敛到一个预先设定的范围内的同时，保证收敛速度以及超调量满足预先设定的指标。在此之前，KPTee就曾提出过使跟踪误差在一个上下界的范围内运动的算法。近年来，应用预定义性能也越来越成熟，胡云安等人结合backstepping分别研究了严格反馈非线性系统以及控制增益未知的不确定系统的预设性能反演控制，并通过李雅普诺夫函数验证了控制算法的稳定性。王敏等人将预设性能应用到一类非线性系统的自适应神经网络控制当中，仿真验证了所提算法的有效性。王琦等人针对一类非仿射纯反馈不确定系统，将预设性能应用于鲁棒自适应控制。因为在实际的系统中本身固有的物理幅限特性，在控制系统中输入饱和现象是普遍存在的，基于此，林郁等人采用Lyapunov稳定性定理和Backstepping的知识，为非线性船舶航向运动数学模型加入了输入饱和特性而设计了一种直接自适应神经网络控制策略，并且设计了一种饱和内补偿辅助体系解决系统中的输入饱和限幅问题。此外，杨杨等人结合自抗扰和反演技术，将输入饱和特性考虑在内，研究了一类含预设性能的非仿射纯反馈非线性系统控制问题，更具实际意义。进一步地，在单向通信拓扑下，王巍将预设性能应用到协同控制领域，研究了一类不确定非线性纯反馈系统的“领导—跟随”一致性控制，与此同时王巍还将输入饱和特性考虑在内，研究了非匹配不确定非线性多智能体系统的“领导—跟随”输出反馈一致性控制。进一步地，自抗扰技术应用于多智能体系统的协调控制中，这具有极高的理论研究价值与实际应用价值。刘亚飞结合自抗扰技术研究了永磁同步电机协同控制策略，融合了自抗扰控制与协同控制提出新的控制策略。余涛等人研究了静止移相器和发电机励磁系统的自抗扰协调控制，对多输入多输出被控对象构造ESO实现动态输出反馈的线性化。在实际的应用中，对多单臂机械手输出一致控制，由于每个单臂机械手系统中存在未知动态，无法实现一致性的精确度，以及利用反演技术中虚拟控制律求导“爆炸”的难点，所以对含有预设性能的多单臂机械手输出一致控制器的研究具有理论研究价值与工程应用价值。因此，利用自抗扰技术和反演技术设计一种含预定义性能的输出一致控制器，使得对含有预设性能的多单臂机械手的输出一致的研究具有直接的实际价值。
技术实现思路
本专利技术的目的在于：针对现有技术存在的缺陷，提出一种含预定义性能的多单臂机械手输出一致控制器及其设计方法，针对扩张状态观测器不依赖精准的多单臂机械手模型的特征，通过扩张状态观测器对系统未知动态实时估计并予以补偿，使得所设计的输出一致控制器具有抗扰动的特性；设计跟踪微分器估计复杂非线性函数的导数以及未知函数的导数；使用预设性能函数提高输出一致误差的收敛速度与精度；能够有效的估计控制系统中未知动态、避免“爆炸性”求导过程以及控制精度等问题。为了达到以上目的，本专利技术提供了一种含预定义性能的多单臂机械手输出一致控制器结构，包含N个单臂机械手跟踪控制器，且N≥2；输出一致控制器的输入端与有向图G的输出端相连，输出端与跟随者的输入相连，所述跟随者为多智能体系统中除领导者之外的，含有未知动态的单臂机械手，所述多智能体系统由一个领导者与N个跟随者通过单向的拓扑图组成，所述输出一致控制器包括误差ei,1运算单元、第一个跟踪微分器、第一个扩张状态观测器、预设性能函数单元、第一个非线性运算单元、第一个比较单元、第二个跟踪微分器、第二个扩张状态观测器、第二个非线性运算单元、第二个比较单元、第三个跟踪微分器、第三个扩张状态观测器、第三个非线性运算单元以及辅助系统；所述误差ei,1运算单元的输入端分别是有向图G中的第j个跟随者的输出yj、跟随者的邻接通信ai,j、领导者的邻接通信μi、第i个跟随者的输出yi和领导者的输出yr；所述第一个跟踪微分器的输入端为第j个跟随者的输出yj；所述第一个扩张状态观测器的输入端分别为第一个跟踪微分器的输出vj,2、误差ei,1运算单元的输出以及第i个跟随者的状态xi,2；所述第一个非线性运算单元的输入端分别为有向图G中跟随者的邻接通信本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.含预定义性能的多单臂机械手输出一致控制器，包含N个单臂机械手跟踪控制器，且N≥2；输出一致控制器的输入端与有向图G的输出端相连，输出端与跟随者的输入相连，所述跟随者为多智能体系统中除领导者之外的，含有未知动态的单臂机械手，所述多智能体系统由一个领导者与N个跟随者通过单向的拓扑图组成，其特征在于：所述输出一致控制器包括误差ei,1运算单元、第一个跟踪微分器、第一个扩张状态观测器、预设性能函数单元、第一个非线性运算单元、第一个比较单元、第二个跟踪微分器、第二个扩张状态观测器、第二个非线性运算单元、第二个比较单元、第三个跟踪微分器、第三个扩张状态观测器、第三个非线性运算单元以及辅助系统；所述误差ei,1运算单元的输入端分别是有向图G中的第j个跟随者的输出yj、跟随者的邻接通信ai,j、领导者的邻接通信μi、第i个跟随者的输出yi和领导者的输出yr；所述第一个跟踪微分器的输入端为第j个跟随者的输出yj；所述第一个扩张状态观测器的输入端分别为第一个跟踪微分器的输出vj,2、误差ei,1运算单元的输出以及第i个跟随者的状态xi,2；所述第一个非线性运算单元的输入端分别为有向图G中跟随者的邻接通信ai,j、领导者的邻接通信μi、第一个跟踪微分器的输出vj,2、误差ei,1运算单元的输出、第一个扩张状态观测器的输出Zi,1,2和预设性能函数单元的输出；所述第一个比较器单元的输入端分别为第i个跟随者的状态xi,2和第一个非线性运算单元的输出αi,2；所述第二个跟踪微分器的输入端为第一个非线性运算单元的输出αi,2；所述第二个扩张状态观测器的输入端分别为第二个跟踪微分器的输出vi,1,2、第一个比较单元的输出ei,2和第i个跟随者的状态xi,3；所述第二个非线性运算单元的输入端分别为预设性能函数单元的输出、第一个比较运算单元的输出ei,2、第二个跟踪微分器的输出vi,1,2以及第二个扩张状态观测器的输出Zi,2,2、跟随者的邻接通信aij以及领导者的邻接通信μi；所述第二个比较运算单元的输入端分别为第i个跟随者的状态xi,3和第二个非线性运算单元的输出αi,3；所述第三个跟踪微分器的输入端为第二个非线性运算单元的输出αi,3；所述第三个扩张状态观测器的输入端分别为第三个跟踪微分器的输出vi,2,2、第二个比较器单元的输出ei,3和第三个非线性运算的输出ui；所述第三个非线性运算单元的输入端分别为第三个跟踪微分器的输出vi,2,2、第一个比较器单元的输出ei,2、第二个比较器单元的输出ei,3、第三个扩张状态观测器的输出Zi,3,2以及辅助系统的输出ξ。...

【技术特征摘要】
1.含预定义性能的多单臂机械手输出一致控制器，包含N个单臂机械手跟踪控制器，且N≥2；输出一致控制器的输入端与有向图G的输出端相连，输出端与跟随者的输入相连，所述跟随者为多智能体系统中除领导者之外的，含有未知动态的单臂机械手，所述多智能体系统由一个领导者与N个跟随者通过单向的拓扑图组成，其特征在于：所述输出一致控制器包括误差ei,1运算单元、第一个跟踪微分器、第一个扩张状态观测器、预设性能函数单元、第一个非线性运算单元、第一个比较单元、第二个跟踪微分器、第二个扩张状态观测器、第二个非线性运算单元、第二个比较单元、第三个跟踪微分器、第三个扩张状态观测器、第三个非线性运算单元以及辅助系统；所述误差ei,1运算单元的输入端分别是有向图G中的第j个跟随者的输出yj、跟随者的邻接通信ai,j、领导者的邻接通信μi、第i个跟随者的输出yi和领导者的输出yr；所述第一个跟踪微分器的输入端为第j个跟随者的输出yj；所述第一个扩张状态观测器的输入端分别为第一个跟踪微分器的输出vj,2、误差ei,1运算单元的输出以及第i个跟随者的状态xi,2；所述第一个非线性运算单元的输入端分别为有向图G中跟随者的邻接通信ai,j、领导者的邻接通信μi、第一个跟踪微分器的输出vj,2、误差ei,1运算单元的输出、第一个扩张状态观测器的输出Zi,1,2和预设性能函数单元的输出；所述第一个比较器单元的输入端分别为第i个跟随者的状态xi,2和第一个非线性运算单元的输出αi,2；所述第二个跟踪微分器的输入端为第一个非线性运算单元的输出αi,2；所述第二个扩张状态观测器的输入端分别为第二个跟踪微分器的输出vi,1,2、第一个比较单元的输出ei,2和第i个跟随者的状态xi,3；所述第二个非线性运算单元的输入端分别为预设性能函数单元的输出、第一个比较运算单元的输出ei,2、第二个跟踪微分器的输出vi,1,2以及第二个扩张状态观测器的输出Zi,2,2、跟随者的邻接通信aij以及领导者的邻接通信μi；所述第二个比较运算单元的输入端分别为第i个跟随者的状态xi,3和第二个非线性运算单元的输出αi,3；所述第三个跟踪微分器的输入端为第二个非线性运算单元的输出αi,3；所述第三个扩张状态观测器的输入端分别为第三个跟踪微分器的输出vi,2,2、第二个比较器单元的输出ei,3和第三个非线性运算的输出ui；所述第三个非线性运算单元的输入端分别为第三个跟踪微分器的输出vi,2,2、第一个比较器单元的输出ei,2、第二个比较器单元的输出ei,3、第三个扩张状态观测器的输出Zi,3,2以及辅助系统的输出ξ。2.根据权利要求1所述的含预定义性能的多单臂机械手输出一致控制器，其特征在于：所述多智能体系统中第i个跟随者的控制器的输入端与有向图G的输出相连，输出端均与第i个跟随者的输入端连接。3.根据权利要求2所述的含预定义性能的多单臂机械手输出一致控制器，其特征在于：i、j均为所述跟随者的编号，并且1≤i≤N，1≤j≤N。4.根据权利要求3所述的含预定义性能的多单臂机械手输出一致控制器，其特征在于：在所述多智能体系统中，领导者与至少一个跟随者之间存在通信连接，N个跟随者之间存在通信连接的，跟随者之间的通信由有向图G(V,E,Λ)表示；其中V＝{n1,…,nN}为节点集合，ni表示跟随者i，即第i个单臂机械手，E＝{(ni,nj)∈V×V}为边集合，(ni,nj)∈E表示跟随者j能够直接获得跟随者i的信息，即第j个单机机械手能够获得第i个单臂机械手的信息。5.根据权利要求4所述的含预定义性能的多单臂机械手输出一致控制器，其特征在于：Λ＝[aij]N×N是邻接矩阵，aij定义如下：节点i的邻接集合定义为Ni＝{j|(ni,nj)∈E}；其中，aij为第i、j个跟随者的邻接通信；有向图G的拉普拉斯矩阵L＝[lij]N×N，拉普拉斯矩阵L＝D-Λ，其中D＝diag[d1,…,dN],对角矩阵D是有向图G的度矩阵。6.根据权利要求5所述的含预定义性能的多单臂机械手输出一致控制器，其特征在于：定义有向图G的拉普拉斯矩阵为L，L＝[lij]N×N，其定义如下：其中，lij为有向图G的拉普拉斯矩阵中的元素。7.根据权利要求6所述的含预定义性能的多单臂机械手输出一致控制器，其特征在于：定义领导者的邻接矩阵为Λ0，则Λ0＝diag[μ1,…,μN]，其中μi＝1当且仅当跟随者i能获得领导者的信息；否则μi＝0，即跟随者i不能获得领导者的信息；定义H＝L+Λ0。8.根据权利要求7所述的含预定义性能的多单臂机械手输出一致控制器，其特征在于：跟随者中第i个含有有刷直流电机(BDCMotor)的单臂机械手的系统模型为：其中，其中J是电机的转动惯量，M0为驱动电机负载量，L0为机械手臂长度，R0为负载范围，G为机械手的重力项，B0为连杆的粘性摩擦系数，τ为有刷直流电动机电枢电流，θ为机械手的输出转角，它是关于t的函数，Kτ、Km为电机电枢电流到转矩的转换系数；将第i个含有有刷直流电机的单臂机械手的系统模型转换成状态模型，令xi,1＝θ，xi,3＝τ，ui＝ννl，则转换后的第i个含有有刷直流电机的单臂机械手的状态模型为：其中，yi为第i个单臂机械手的位置状态，xi,1、xi,2、xi,3为第i个跟随者，即第i个单臂机械手的状态，ui为第i个跟随者的控制量。9.含预定义性能的多单臂机械手输出一致控制器的设计方法，其特征在于：包括以下步骤：第i个跟随者的一种含预定义性能的单臂机械手输出一致控制器结构；步骤1、设计误差ei,1运算单元—误差ei,1运算单元的输入端分别为有向图G中的第j个跟随者的输出yj、跟随者的邻接通信ai,j、领导者的邻接通信μi、第i个跟随者的输出yi和领导者的输出yr，根据以下公式计算误差ei,1运算单元的输出ei,1，步骤2、设计第一个跟踪微分器—第一个跟踪微分器的输入端为有向图G中第j个跟随者的输出yj，根据以下公式计算第一个跟踪微分器的输出vj,2，其中，vj,1为第j个跟随者的输出yj提供的一过渡过程，vj,2为第j个跟随者的输出y...

【专利技术属性】
技术研发人员：杨杨，司雪峰，谈杰，岳东，刘奇东，李焱飞，戈井志，
申请(专利权)人：南京邮电大学，
类型：发明
国别省市：江苏,32