单连杆机械臂的指定时间受约的容错控制方法及系统技术方案

本发明专利技术公开了单连杆机械臂的指定时间受约的容错控制方法及系统，包括：获取单连杆机械臂的状态数据；建立单连杆机械臂动力学方程，根据所述动力学方程得到执行器故障模型；设置受约时间；基于执行器故障模型和受约时间，采用反步法设计指定时间受约的容错控制器；所述指定时间受约的容错控制器，是通过正切类型障碍李雅普诺夫函数约束单连杆机械臂的输出，获得指定时间受约的容错控制器的虚拟控制器及自适应律，根据虚拟控制器和自适应律计算获得的；将单连杆机械臂的状态数据，输入到所述指定时间受约的容错控制器，获取控制输入；基于所述控制输入，对单连杆机械臂进行控制，以实现控制输出跟踪参考信号。以实现控制输出跟踪参考信号。以实现控制输出跟踪参考信号。

【技术实现步骤摘要】
单连杆机械臂的指定时间受约的容错控制方法及系统


[0001]本专利技术涉及工业自动控制
，特别是涉及单连杆机械臂的指定时间受约的容错控制方法及系统。

技术介绍

[0002]本部分的陈述仅仅是提到了与本专利技术相关的
技术介绍
，并不必然构成现有技术。
[0003]众所周知，在近几年内，非线性系统的控制理论的研究取得了巨大的进展。在这一领域内，需要强调的是，约束的处理问题已经引起了众多学者的兴趣，因为它们不可避免地出现在各种实际系统中。由于约束的目标不同，系统的约束要求可以分为输出约束和状态约束。尽管在系统约束领域已经有很多丰富的结果，然而绝大多数结果没有考虑指定时间受约问题——约束要求是在系统运行了一段时间后被施加。
[0004]目前，为了解决机械臂系统的受约问题，一个主流的方法是障碍李雅普诺夫函数方法。其中，很多学者使用正切类型的障碍李雅普诺夫函数得到了很多较好的结果，但是这些方法都无法解决非对称约束的问题。同时，由于障碍李雅普诺夫函数的复杂性，在反步进程中，对虚拟控制的求导变得更加复杂，以至于出现“复杂性爆炸”问题，加重了计算负担。
[0005]另一方面，在机械臂系统的实际应用中，由于设备故障的频繁存在，控制输入信号不容易稳定系统。现存的故障模型有乘性故障和加性故障，乘性故障会一定程度上削弱控制器，加性故障会使控制出现偏差。

技术实现思路

[0006]为了解决现有技术的不足，本专利技术提供了单连杆机械臂的指定时间受约的容错控制方法及系统；实现了单连杆机械臂在基于正切类型的障碍李雅普诺夫函数下不违反指定时间非对称输出约束要求的控制目标，使单连杆机械臂输出能够有界地跟踪上参考信号。
[0007]第一方面，本专利技术提供了单连杆机械臂的指定时间受约的容错控制方法；
[0008]单连杆机械臂的指定时间受约的容错控制方法，包括：
[0009]获取单连杆机械臂的状态数据；
[0010]建立单连杆机械臂动力学方程，根据所述动力学方程得到执行器故障模型；
[0011]设置受约时间；
[0012]基于执行器故障模型和受约时间，采用反步法设计指定时间受约的容错控制器；所述指定时间受约的容错控制器，是通过正切类型障碍李雅普诺夫函数约束单连杆机械臂的输出，获得指定时间受约的容错控制器的虚拟控制器及自适应律，根据虚拟控制器和自适应律计算获得的；
[0013]将单连杆机械臂的状态数据，输入到所述指定时间受约的容错控制器，获取控制输入；基于所述控制输入，对单连杆机械臂进行控制，以实现控制输出跟踪参考信号。
[0014]第二方面，本专利技术提供了单连杆机械臂的指定时间受约的容错控制系统；
[0015]单连杆机械臂的指定时间受约的容错控制系统，包括：
[0016]获取模块，其被配置为：获取单连杆机械臂的状态数据；
[0017]模型建立模块，其被配置为：建立单连杆机械臂动力学方程，根据所述动力学方程得到执行器故障模型；
[0018]时间设置模块，其被配置为：设置受约时间；
[0019]容错控制器设计模块，其被配置为：基于执行器故障模型和受约时间，采用反步法设计指定时间受约的容错控制器；所述指定时间受约的容错控制器，是通过正切类型障碍李雅普诺夫函数约束单连杆机械臂的输出，获得指定时间受约的容错控制器的虚拟控制器及自适应律，根据虚拟控制器和自适应律计算获得的；
[0020]控制输出模块，其被配置为：将单连杆机械臂的状态数据，输入到所述指定时间受约的容错控制器，获取控制输入；基于所述控制输入，对单连杆机械臂进行控制，以实现控制输出跟踪参考信号。
[0021]第三方面，本专利技术还提供了一种电子设备，包括：
[0022]存储器，用于非暂时性存储计算机可读指令；以及
[0023]处理器，用于运行所述计算机可读指令，
[0024]其中，所述计算机可读指令被所述处理器运行时，执行上述第一方面所述的方法。
[0025]第四方面，本专利技术还提供了一种存储介质，非暂时性地存储计算机可读指令，其中，当所述非暂时性计算机可读指令由计算机执行时，执行第一方面所述方法的指令。
[0026]第五方面，本专利技术还提供了一种计算机程序产品，包括计算机程序，所述计算机程序当在一个或多个处理器上运行的时候用于实现上述第一方面所述的方法。
[0027]与现有技术相比，本专利技术的有益效果是：
[0028]本专利技术解决了被要求进行各种复杂操作的非线性单连杆机械臂系统的指定时间受约问题。
[0029]本专利技术将命令滤波和障碍李雅普诺夫函数方法结合使用，解决“复杂性爆炸”问题。
[0030]本专利技术在处理非线性机械臂受约的工作中，同时将乘性故障和加性故障引入执行器故障模型。
[0031]本专利技术采用新颖的分段的正切类型的障碍李雅普诺夫函数处理非对称输出约束问题。通过提出一个新的嵌套在障碍李雅普诺夫函数内的切换函数实现了指定时间受约控制。
[0032]本专利技术通过引入命令滤波技术，解决了“复杂性爆炸”问题。为了补偿使用命令滤波技术所产生的误差，提出了一种二次坐标变换设计方法来构造期望的控制器。所设计的控制器可以同时消除乘性和加性执行器故障的影响。
[0033]能够通过应用切换函数在设计的控制器中提前设置一个指定时间，并且释放了初值要求；
[0034]反步法过程中固有的“复杂性爆炸”问题得到解决；
[0035]所设计的控制器具有一般性，可以应用到不受约束的情况。
附图说明
[0036]构成本专利技术的一部分的说明书附图用来提供对本专利技术的进一步理解，本专利技术的示
意性实施例及其说明用于解释本专利技术，并不构成对本专利技术的不当限定。
[0037]图1为本专利技术实施例一公开的单连杆机械臂系统模型图；
[0038]图2为本专利技术实施例一公开的单连杆机械臂系统输出y＝x1与跟踪信号x
1d
的波形图；
[0039]图3为本专利技术实施例一公开地跟踪误差x1‑
x
1d
的波形图；
[0040]图4为本专利技术实施例一公开的不同初始值情况下跟踪误差x1‑
x
1d
的波形图；
[0041]图5(a)～图5(d)为本专利技术实施例一公开的自适应律的波形图；
[0042]图6为本专利技术实施例一公开的单连杆机械臂系统的在受到执行器故障下的控制输入的波形图。
具体实施方式
[0043]应该指出，以下详细说明都是示例性的，旨在对本专利技术提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本专利技术所属
的普通技术人员通常理解的相同含义。
[0044]需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本专利技术的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形，意本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.单连杆机械臂的指定时间受约的容错控制方法，其特征是，包括：获取单连杆机械臂的状态数据；建立单连杆机械臂动力学方程，根据所述动力学方程得到执行器故障模型；设置受约时间；基于执行器故障模型和受约时间，采用反步法设计指定时间受约的容错控制器；所述指定时间受约的容错控制器，是通过正切类型障碍李雅普诺夫函数约束单连杆机械臂的输出，获得指定时间受约的容错控制器的虚拟控制器及自适应律，根据虚拟控制器和自适应律计算获得的；将单连杆机械臂的状态数据，输入到所述指定时间受约的容错控制器，获取控制输入；基于所述控制输入，对单连杆机械臂进行控制，以实现控制输出跟踪参考信号。2.如权利要求1所述单连杆机械臂的指定时间受约的容错控制方法，其特征是，所述指定时间受约的容错控制器，用于实现单连杆机械臂系统在基于正切类型的障碍李雅普诺夫函数下不违反指定时间非对称输出约束要求，使单连杆机械臂的输出能够有界地跟踪上参考信号。3.如权利要求1所述单连杆机械臂的指定时间受约的容错控制方法，其特征是，所述获取单连杆机械臂的状态数据；具体包括：连杆的转动惯量、连杆与水平地面的夹角、连杆的阻尼系数、连杆运动的角速度、连杆的质量和长度。4.如权利要求1所述单连杆机械臂的指定时间受约的容错控制方法，其特征是，所述建立单连杆机械臂动力学方程；具体包括：单连杆机械臂的动力学方程为：其中，q为连杆与水平地面的夹角，rad；M为连杆连接处的转动惯量，kg/m2；u为输入力矩，N；B为阻尼系数，N
·
m
·
s；g为重力加速度，m/s2；m为连杆质量，kg；l为连杆长度，m；为机械臂关节的加速度；为机械臂关节的角速度；y为单连杆机械臂的输出。5.如权利要求4所述单连杆机械臂的指定时间受约的容错控制方法，其特征是，根据所述动力学方程得到执行器故障模型；引入状态变量，x1＝q,单连杆机械臂的动力学方程，改写为：其中，是单连杆机械臂系统的系统函数，θ1,θ2表示权重向量，φ1(x1),φ2(x1,x2)表示基函数向量；ηg(x1,x2)是施加在控制器上的控制增益，η表示控制方向，g(x1,x2)表示控制增益函数；
具体地，具体地，具体地，建立执行器故障模型，为：其中，发生故障时其中，...

【专利技术属性】
技术研发人员：牛奔，张家鸣，王晓梅，陈文娣，闫柏诚，
申请(专利权)人：山东师范大学，
类型：发明
国别省市：