基于双扩展状态观测器的气动末端自适应力控制方法技术

本发明专利技术为一种基于双扩展状态观测器的气动末端自适应力控制方法，首先基于电气比例阀的流量特性建立气动末端的数学模型，并基于气动末端的数学模型设计双扩展状态观测器，用于估计系统的匹配扰动和非匹配扰动；然后，设计参数自适应律，用于补偿系统的参数不确定性；最后，将双扩展状态观测器与参数自适应律相结合，得到电气比例阀的电压控制律；控制器根据电气比例阀的电压控制律调节电压，实现接触力的精确跟踪

【技术实现步骤摘要】
基于双扩展状态观测器的气动末端自适应力控制方法


[0001]本专利技术涉及机器人自动化加工控制
，特别是涉及一种基于双扩展状态观测器的气动末端自适应力控制方法
。

技术介绍

[0002]机器人自动化加工过程中，末端执行器与被加工工件之间的接触力是影响机器人自动化加工质量的重要因素
。
根据机器人加工方式的不同，可将力控制分为关节力控制和基于末端执行器的力控制两种
。
关节力控制因受到机器人定位精度
、
低刚度等因素的影响，难以满足复杂型面工件的加工精度要求
。
基于气动末端执行器的力控制具备柔性控制的同时，能对末端执行器与工件之间的接触力进行精准调节，实现位置精确定位基础上的精密加工
。
[0003]气动末端执行器力控制的核心问题是减小接触力误差，在气动末端执行器工作过程中，由于存在气体可压缩性和等效接触刚度等因素导致的参数不确定性和数学模型建模不精准导致的模型不确定性，导致实际接触力围绕期望接触力产生波动，接触力波动将导致复杂型面工件加工质量降低的问题
。
为了提高复杂型面工件的加工质量，气动末端执行器的力控制需要具备准确性
、
快速性及较强的抗干扰能力
。
自适应控制可以有效增强气动末端执行器的响应速度，为了增强气动末端执行器的跟踪精度，将所有不确定性集合于非匹配扰动的基于扩展状态观测器的自抗扰控制器被应用于气动系统中
。
但是，当存在较大的模型不确定性时，基于扩展状态观测器的自抗扰控制器的跟踪性能下降，系统容易出现不稳定的情况
。
为此，本专利技术提出一种基于双扩展状态观测器的气动末端自适应力控制方法
。

技术实现思路

[0004]为了解决现有技术中气动末端力控制存在较强的参数不确定性和模型不确定性问题，本专利技术的目的在于提供一种基于双扩展状态观测器的气动末端自适应力控制方法
。
[0005]为了实现上述目的，本专利技术采用如下的技术方案：
[0006]一种基于双扩展状态观测器的气动末端自适应力控制方法，其特征在于，包括以下步骤：
[0007]S1、
基于电气比例阀的流量特性建立气动末端的数学模型，表达式为：
[0008][0009]式中，
F
c
为气动末端与工件之间的接触力，为
F
c
的一阶导数和二阶导数，
C
p
为动态粘度，
M
为气动主轴末端的加工工具及其连接件的总质量，
k
e
为等效接触刚度，
P
d
为电
气比例阀出气口压力，为
P
d
的一阶导数，
k
β
为绝热系数，
k
v
、k
p
为比例系数，
R
为理想气体常数，
T
n
为气缸腔内气体的热力学温度，
V
n
为气缸腔内气体体积，
U
为电气比例阀的电压；
A
c
为无杆腔活塞受力面积，
F
为未建模非匹配干扰力合力，
γ
表示匹配干扰因子；
[0010]S2、
基于气动末端的数学模型设计双扩展状态观测器，用于估计系统的匹配扰动和非匹配扰动；
[0011]令
x1＝
F
c
，
x3＝
P
d
，将气动末端的数学模型转化三阶状态空间方程；
[0012][0013]其中，为状态变量
x
i
的一阶导数，
[0014]双扩展状态观测器表示为：
[0015][0016][0017]其中，为状态变量
x
i
的估计值，为的一阶导数，为参数
θ
i
的估计值，
ω
e1
、
ω
e2
为双扩展状态观测器的调节参数且
ω
e1
＞0，
ω
e2
＞0，
x
e1
和
x
e2
为系统的扩展状态变量，分别为
x
e1
、x
e2
的估计值，分别为的一阶导数；
[0018]S3、
设计参数自适应律，用于补偿系统的参数不确定性，参数自适应律表示为：
[0019][0020]式中，为的一阶导数，
Γ
i
(i
＝
1,2,3)
为参数自适应增益，
ω
i
(i
＝
2,
3)
为
Lyapunov
函数的控制增益，
k2为反馈增益，
μ
i
(i
＝
1,2)
为增益系数，
z
i
(i
＝
1,2,3)
表示系统的状态变量误差，为状态估计误差；
[0021]S4、
将双扩展状态观测器与参数自适应律相结合，得到电气比例阀的电压控制律；控制器根据电气比例阀的电压控制律调节电压，实现接触力的精确跟踪；
[0022]定义系统的状态变量误差满足下式：
[0023][0024]式中，
α1、
α2为虚拟控制量，
x
1d
为气缸期望输出力；
[0025]根据自适应反步法得到电气比例阀的电压控制律为：
[0026][0027]式中，
k1、k3为反馈增益，为
x
1d
的一阶导数
、
二阶导数以及三阶导数，为虚拟控制量
α2可计算部分的一阶导数
。
[0028]与现有技术相比，本专利技术的有益效果是：
[0029]本专利技术针对气动末端的模型不确定性问题，设计了双扩展状态观测器分别估计系统的匹配扰动和非匹配扰动，提高了力控制系统的抗干扰能力，同时匹配扰动对改善气动末端的力跟踪性能起着重要作用
。
针对气动末端具有较强的参数不确定性，设计了一种基于不连续投影算子的参数自适应律，对气动末端的不确定性参数进行自适应调整
。
最后，将双扩展状态观测器与参数自适应律相结合，得到电气比例阀的电压控制律，用于实时调节气动末端的接触力
。
相比于传统的基于扩展状态观测器的自抗扰控制，本专利技术方法具有更好的跟踪性能和抗干扰能力，可以有效解决气动末端工作过程中由于参数不确定性和模型不确定性导致实际接触力围绕期望接触力出现波动的问题，提高复杂型面工件的加工质量
。
附图说明
[0030]图1为本专利技术本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.
一种基于双扩展状态观测器的气动末端自适应力控制方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1、
基于电气比例阀的流量特性建立气动末端的数学模型，表达式为：式中，
F
c
为气动末端与工件之间的接触力，为
F
c
的一阶导数和二阶导数，
C
p
为动态粘度，
M
为气动主轴末端的加工工具及其连接件的总质量，
k
e
为等效接触刚度，
P
d
为电气比例阀出气口压力，为
P
d
的一阶导数，
k
β
为绝热系数，
k
v
、k
p
为比例系数，
R
为理想气体常数，
T
n
为气缸腔内气体的热力学温度，
V
n
为气缸腔内气体体积，
U
为电气比例阀的电压；
A
c
为无杆腔活塞受力面积，
F
为未建模非匹配干扰力合力，
γ
表示匹配干扰因子；
S2、
基于气动末端的数学模型设计双扩展状态观测器，用于估计系统的匹配扰动和非匹配扰动；令
x1＝
F
c
，
x3＝
P
d
，将气动末端的数学模型转化三阶状态空间方程；其中，为状态变量
x
i
的一阶导数，双扩展状态观测器表示为：双扩展状态观测器表示为：其中，为状态变量
x
i
的估计值，为的一阶导数，为参数
θ
i
的估计值，
ω
e1
、
ω
e2
为双扩展状态观测器的调节参数且
ω
e1
＞0，
ω
e2
＞0，
x
e1
和
x
e2
为系统的扩...

【专利技术属性】
技术研发人员：戴士杰，穆祯，王瑞钦，金宇桐，田鑫涛，申凯亮，
申请(专利权)人：河北工业大学，
类型：发明
国别省市：