一种非线性机电伺服系统的预分配时间预定性能控制方法技术方案

本发明专利技术公开了一种非线性机电伺服系统的预分配时间预定性能控制方法，包括：获取机电伺服系统具有状态约束的非线性系统的状态方程；依据状态方程及状态约束条件，确定控制目标；根据状态方程设计误差变量，并基于反步控制方法进行递推设计，根据控制目标设计虚拟控制变量和实际控制变量；构建预定性能障碍

【技术实现步骤摘要】
一种非线性机电伺服系统的预分配时间预定性能控制方法


[0001]本专利技术涉及预分配预定性能时间控制领域，具体涉及一种非线性机电伺服系统的预分配时间预定性能控制方法
。

技术介绍

[0002]随着工业
4.0
时代的到来，各行各业在生产中制造活动中越来越多地使用伺服系统来实现高质量和高精度的产品制造，实现了从纺织
、
包装
、
印刷等传统领域向电子设备制造
、
工业机器人等新兴领域的转移
。
但现有电机难以同时满足灵活
、
快速响应
、
抗冲击等要求，电机技术的突破是未来实现机器人商业化应用的关键环节，存在巨大的技术迭代空间
。
[0003]由于对机电伺服系统中存在的摩擦
、
外部干扰
、
快速响应等因素控制要求的不断提升，为了确保控系统的稳定性
、
鲁棒性以及控制精度，需要对机电伺服系统的电机参数
、
运动速度以及跟踪误差进行限制
。...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.
一种非线性机电伺服系统的预分配时间预定性能控制方法，其特征在于，基于具有状态约束的非线性系统全局预设时间控制和预定性能控制策略，包括以下步骤：步骤1：利用欧拉
‑
拉格朗日动力学模型描述非线性机电伺服系统的动力学方程，根据动力学方程得到具有状态约束的非线性系统的状态方程；步骤2：依据状态方程及状态约束条件，确定所设计控制方案的控制目标为：保证整个机械臂闭环系统的控制轨迹在预先指定的时间内全局收敛且满足预先设定的性能指标；步骤3：采用非线性系统的预设时间控制与预定性能控制相结合的方法，并结合障碍
Lyapunov
函数
(BLF)
方法构造新的预定性能
BLF
来进行控制设计；根据所述非线性系统的状态方程设计误差变量，并基于反步控制方法进行递推设计，根据控制目标设计虚拟控制变量和实际控制变量；根据控制目标拟设计的误差变量
、
虚拟控制变量和实际控制输入具体为：
1)
设计误差变量为：
e1＝
x1‑
y
r
,e
i
＝
x
i
‑
α
i
‑1,
其中，
e1,e
i
是误差变量，
α
i
‑1是虚拟控制器，
y
r
是期望轨迹且满足
C
d,k
＞0是常数，
k
＝
0,1,
…
,n
；
2)
设计虚拟控制变量和实际控制输入为：其中其中其中其中其中其中其中其中，函数
h(t):R
→
{0,1}
被定义为
h(t):
为了简化符号，我们将省略函数的参数，使用
h
指代
h(t)
；
α1,
α2,
α
i
,u
分别为第一个虚拟控制
、
第二个虚拟控制
、
第
i
个虚拟控制和实际控制输入；
f1,f2,f
i
,f
n
均为已知的光滑函数；为时变函数，
t
p
为预分配时间，为常数且满足时变增益为
ρ
i
(t)
为预定义性能函数，分别为预定义性能函数的平方和平方的一阶导数，
β
i
,D
i
＞0均为设计参数，
τ
为正整数且2τ
≥n
；步骤4：构建合适的预定性能障碍
Lyapunov
函数
V
，对函数
V
进行求导，并将所设计的虚
拟控制变量和实际控制输入代入，验证其是否满足预分配时间稳定性判据其中为时变函数；若满足，则所设计控制策略能够实现系统全局预分配时间稳定，若不满足，需要调整设计的虚拟控制变量和实际控制输入，重新带入计算，直至不等式成立；步骤5：根据
Lyapunov
稳定性理论对步骤1至步骤4设计的全局预分配时间收敛控制方案进行稳定性分析，证明其能够保证闭环系统中所有变量在预分配时间内是有界的，同时跟踪误差能在预先指定的时间内满足预先设定的性能指标
。2.
根据权利要求1所述的非线性机电伺服系统的预分配时间预定性能控制方法，其特征在于，所述步骤1中，具有状态约束的非线性系统的状态方程表示为：非线性机电伺服系统动力学模型为：其中，
J
表示转子惯性，
q,
分别为电机角位置
、
角速度
、
角加速度，
m,M0分别是连杆质量和负载质量，
L0,R0分别代表连杆长度和负载半径，
I,L,R
分别为电枢电流
、
电枢电感和电枢电阻，
G,B0,K
τ
,K
B
分别表示重力系数
、
粘性摩擦系数
、
转换系数和反电动势系数，
V0表示输入电压；定义状态变量
x1＝
q,x3＝
I,u
＝
V0，根据动力学模型方程
(1)
得到具有状态约束的非线性系统的状态方程为：其中，表示机电系统模型误差
。3.
根据权利要求2所述的非线性机电伺服系统的预分配时间预定性能控制方法，其特征在于，所述步骤2中，控制目标为：目标1：闭环系统中的所有信号都是全局预分配的时间稳定的，其中预给定的时间
t
p
根据设计者的要求任意选择；目标2：输出信号
y(t)
在预先指定的时间
t
p
内实现期望轨迹
y
r
(t)
的预先指定的跟踪，其不受任何系统参数或初始条件的影响；目标3：满足所需的预定性能指标，同时确保所有状态变量不违反约束条件
。4.
根据权利要求1所述的非线性机电伺服系统的预分配时间预定性能控制方法，其特征在于，所述步骤4中，具体包括以下步骤：
(41)
构建的预定义性能函数为：
其中，
ρ
r,0
,
ρ
r,∞
和
l
r
...

【专利技术属性】
技术研发人员：刘伟，费诗淇，钱宗敏，赵建航，王俊豪，唐威，刘滢，赵环宇，杜董生，王业琴，刘根水，张丽娟，
申请(专利权)人：淮阴工学院，
类型：发明
国别省市：