基于工业互联网的机械臂复合容错控制器系统技术方案

本发明专利技术公开了一种基于工业互联网的机械臂复合容错控制器系统，该复合容错控制器包括：扩张状态观测器，用于实时估计当前时刻非线性系统出现总扰动时的第一补偿系数；所述总扰动包括系统参数不确定度扰动和执行器出现的恒偏差误差扰动；故障估计观测器，用于实时估计当前时刻非线性系统的执行器出现恒定增益故障时的第二补偿系数；所述故障扰动观测器设置有自适应更新律；控制单元，用于基于障碍李雅普诺夫函数设计的复合控制律，采用所述第二补偿系数对非线性系统中的执行器进行补偿，采用第一补偿系统对工业机械臂模型进行补偿，以实现对期望轨迹的精确跟踪；所述非线性系统为工业机械臂系统。本发明专利技术能够对期望轨迹进行精准跟踪。精准跟踪。精准跟踪。

【技术实现步骤摘要】
基于工业互联网的机械臂复合容错控制器系统


[0001]本专利技术涉及工业机械臂轨迹跟踪
，特别是涉及一种基于工业互联网的机械臂复合容错控制器系统。

技术介绍

[0002]目前，工业机械臂的发展具有的特点为：一方面，工业机械臂与互联网技术深度融合，使得机器人拥有与其他设备信息交互的能力，即将工业机械臂、互联网技术、智能算法深度融合以组成多机械臂系统，进一步提高了多机械臂系统的部署能力与适应能力；另一方面，工业机械臂的标准化设计以及修复能力的快速发展，使得工业机械臂的易用性与稳定性也不断提升。
[0003]在美国空间站和中国空间站中，空间机械臂用于捕获未知目标。此外，美国还提出了用飞船机械臂上的柔性力控制器来代替工作人员，以实现组装物体和抓取物体的能力。在民用领域中，工业机械臂的应用越来越广泛，例如在自动化生产线中，密集型流水线一定会带来“多机械臂协作”的要求，工业机械臂从单机自动化到产线自动化，从脉冲控制方式到总线控制方式，使得工业机械臂告别了单机时代，来到了多机械臂协同工作的层面。但是工业机械臂的结构复杂，相应的维护成本也比较高，这对于企业的维护能力提出了新要求。因此工业机械臂的稳定性、可靠性对于企业的生产制造成本有重大影响。
[0004]工业机械臂是一种多输入多输出(MIMO)的非线性系统，具有参数扰动、外部扰动等不确定性因素。除了不确定性因素外，控制器、执行器、传感器等也有可能存在系统故障。因此，工业机械臂的性能将大大降低。在此基础上，容错控制(FTC，fault
‑
tolerant control)对于工业机械臂的安全来说就显得至关重要。
[0005]现有的机械臂容错控制方案包括被动容错控制方案和主动容错控制方案，被动容错控制方案，虽然计算消耗小，但是对于故障类型没有明显区分，难以实现精确的故障补偿；主动容错控制方案，由于其能够获取故障信息，故具有设计简单、控制结构统一等优点，但是只考虑单个故障类型，同样也难以实现精确的故障补偿。

技术实现思路

[0006]鉴于此，本专利技术提供了一种基于工业互联网的机械臂复合容错控制器系统。
[0007]为实现上述目的，本专利技术提供了如下方案：
[0008]一种工业机械臂的复合容错控制器的确定方法，包括：
[0009]针对系统参数不确定度和执行器出现的恒偏差误差，确定扩张状态观测器；
[0010]针对执行器出现的恒定增益故障，确定故障扰动观测器；所述故障扰动观测器设置有自适应更新律；
[0011]基于障碍李雅普诺夫函数，设计复合控制律；
[0012]基于所述扩张状态观测器、所述扩张状态观测器、所述复合控制律，构建基于工业机械臂动力学模型的复合容错控制器；所述复合容错控制器用于对所需轨迹进行精确跟
踪。
[0013]可选的，所述针对系统参数不确定度和执行器出现的恒偏差误差，确定扩张状态观测器，具体包括：
[0014]在工业机械臂动力学模型建立过程中，将执行器出现的恒偏差误差分解为扰动模型，以使系统参数不确定度和执行器出现的恒偏差误差表示为d＝
‑
τ
d
+f
u
，进而确定扩张状态观测器；
[0015]所述扩张状态观测器表示为：
[0016][0017]其中，z3用于实时估计当前时刻非线性系统的总扰动；所述非线性系统的为工业机械臂系统。
[0018]可选的，所述故障扰动观测器表示为：
[0019][0020]可选的，所述复合容错控制器表示为：
[0021][0022]一种工业机械臂的复合容错控制器的确定系统，包括：
[0023]扩张状态观测器确定模块，用于针对系统参数不确定度和执行器出现的恒偏差误差，确定扩张状态观测器；
[0024]故障扰动观测器确定模块，用于针对执行器出现的恒定增益故障，确定故障扰动观测器；所述故障扰动观测器设置有自适应更新律；
[0025]复合控制律设计模块，用于基于障碍李雅普诺夫函数，设计复合控制律；
[0026]复合容错控制器构建模块，用于基于所述扩张状态观测器、所述扩张状态观测器、所述复合控制律，构建基于工业机械臂动力学模型的复合容错控制器；所述复合容错控制器用于对所需轨迹进行精确跟踪。
[0027]一种工业机械臂的复合容错控制方法，包括：
[0028]采用扩张状态观测器实时估计当前时刻非线性系统出现总扰动时的第一补偿系数；所述总扰动包括系统参数不确定度扰动和执行器出现的恒偏差误差扰动；
[0029]采用故障估计观测器实时估计当前时刻非线性系统的执行器出现恒定增益故障时的第二补偿系数；所述故障扰动观测器设置有自适应更新律；
[0030]基于障碍李雅普诺夫函数设计的复合控制律，采用所述第二补偿系数对非线性系统中的执行器进行补偿，采用第一补偿系统对工业机械臂模型进行补偿，以实现对期望轨迹的精确跟踪；所述非线性系统为工业机械臂系统。
[0031]一种工业机械臂的复合容错控制器，包括：
[0032]扩张状态观测器，用于实时估计当前时刻非线性系统出现总扰动时的第一补偿系数；所述总扰动包括系统参数不确定度扰动和执行器出现的恒偏差误差扰动；
[0033]故障估计观测器，用于实时估计当前时刻非线性系统的执行器出现恒定增益故障时的第二补偿系数；所述故障扰动观测器设置有自适应更新律；
[0034]控制单元，用于基于障碍李雅普诺夫函数设计的复合控制律，采用所述第二补偿系数对非线性系统中的执行器进行补偿，采用第一补偿系统对工业机械臂模型进行补偿，以实现对期望轨迹的精确跟踪；所述非线性系统为工业机械臂系统。
[0035]一种基于工业互联网的多工业机械臂控制系统，包括：PLC控制器、PROFINET现场总线以及复合容错控制器；其中，每个工业机械臂设置有一个复合容错控制器；
[0036]所述PLC控制器，通过PROFINET现场总线与每个所述复合容错控制器连接以控制多个工业机械臂协同工作。
[0037]还包括：PROFINET监控器；
[0038]PLC控制器、PROFINET监控器通过PROFINET现场总线相互通信。
[0039]根据本专利技术提供的具体实施例，本专利技术公开了以下技术效果：
[0040]对于工业机械臂系统，希望它能够准确地跟踪所需的轨迹，然而，考虑到各种故障和各种干扰，高精度的轨迹跟踪已经成为一个挑战。本实施例提出了一种工业机械臂的复合容错控制器，在主动容错控制方案的基础上，引入了扩张状态观测器来处理系统不确定的外部扰动和执行器的恒偏差误差，采用故障估计观测器来处理执行器的恒定增益故障，并通过自适应更新律，可以获得鲁棒的故障观测性能，即可以更加准确地检测故障，并实时估计故障，进而实现精确的故障补偿，实现对期望轨迹的精确跟踪。此外，还利用障碍李雅普诺夫函数，使工业机械臂在执行器故障下的轨迹跟踪误差保持在一个可接受的有界范围内，最终实现对所需轨迹的本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种工业机械臂的复合容错控制器的确定方法，其特征在于，包括：针对系统参数不确定度和执行器出现的恒偏差误差，确定扩张状态观测器；针对执行器出现的恒定增益故障，确定故障扰动观测器；所述故障扰动观测器设置有自适应更新律；基于障碍李雅普诺夫函数，设计复合控制律；基于所述扩张状态观测器、所述扩张状态观测器、所述复合控制律，构建基于工业机械臂动力学模型的复合容错控制器；所述复合容错控制器用于对所需轨迹进行精确跟踪。2.根据权利要求1所述的一种工业机械臂的复合容错控制器的确定方法，其特征在于，所述针对系统参数不确定度和执行器出现的恒偏差误差，确定扩张状态观测器，具体包括：在工业机械臂动力学模型建立过程中，将执行器出现的恒偏差误差分解为扰动模型，以使系统参数不确定度和执行器出现的恒偏差误差表示为d＝
‑
τ
d
+f
u
，进而确定扩张状态观测器；所述扩张状态观测器表示为：其中，z3用于实时估计当前时刻非线性系统的总扰动；所述非线性系统的为工业机械臂系统。3.根据权利要求1所述的一种工业机械臂的复合容错控制器的确定方法，其特征在于，所述故障扰动观测器表示为：4.根据权利要求1所述的一种工业机械臂的复合容错控制器的确定方法，其特征在于，所述复合容错控制器表示为：5.一种工业机械臂的复合容错控制器的确定系统，其特征在于，包括：扩张状态观测器确定模块，用于针对系统参数不确定度和执行器出现的恒偏差误差，确定扩张状态观测器；故障扰动观测器确定模块，用于针对执行器出现的恒定增益故障，确定故障扰动观测
器；所述故障扰动观测器设置有自适应更新律；复合控制律设计模块，用于基于障碍李雅普诺夫函数，设计复合控制律；复合容错控制器构建模块，用于基于所述扩张状态观测器、所述扩张状态观测器、所述复合控制律，构建基于工业机械...

【专利技术属性】
技术研发人员：崔灵果，胡勇，王昭阳，柴森春，张百海，
申请(专利权)人：北京理工大学，
类型：发明
国别省市：