【技术实现步骤摘要】
本专利技术属于基于智能材料的仿生机器人驱动控制，具体涉及一种基于自适应反演模糊滑模的迟滞非线性系统轨迹跟踪控制方法。
技术介绍
1、智能材料因其能够对外部环境的变化进行感知并做出相应的变化和驱动，已在仿生机器人、航空航天、生物工程、工业生产、医疗科学等领域得到广泛的应用。其中，在仿生机器人驱动领域应用最为广泛的主要有电活性聚合物、压电陶瓷、形状记忆合金以及超磁致伸缩等智能材料。上述智能材料虽已在仿生机器人驱动领域得到广泛的应用和研究，但其固有的迟滞非线性严重影响驱动器的跟踪性能，甚至会造成系统的震荡。因此，消除迟滞非线性对智能材料驱动器跟踪精度的影响是一个亟需解决的问题。
2、迟滞模型大致可以分为物理模型和唯象模型两大类。其中，物理模型参数具有明确的物理意义，纯粹的物理模型有jiles-atherton模型等，但其模型拟合精度低且适用性较差。唯象模型是根据驱动系统的输入输出关系，对迟滞特性进行描述，常用的有preisach模型、p-i模型、bouc-wen模型和backlash-like模型等。bouc-wen模型的参数相对较少，且可以对迟滞项进行分离。
3、目前，针对智能材料迟滞非线性系统的控制方法应用最为广泛的有前馈控制方法和反馈控制方法。其中，前馈控制方法高度依赖系统迟滞模型及其逆模型的精度。但在实际工程中，精确的系统模型不易获得，因此该类控制方法不能对系统的迟滞特性进行完全消除。为解决前馈控制方法存在的问题，提出了反馈控制方法，该类控制方法在消除迟滞特性的同时，可以提高智能材料驱动器的跟踪性能。目
技术实现思路
1、(一)要解决的技术问题
2、本专利技术提出一种基于自适应反演模糊滑模的迟滞非线性系统轨迹跟踪控制方法，以解决智能材料驱动器迟滞非线性系统在存在迟滞非线性、系统状态不可测以及外部扰动等不确定性因素下的跟踪控制技术问题。
3、(二)技术方案
4、为了解决上述技术问题，本专利技术提出一种迟滞非线性系统轨迹跟踪控制方法，该轨迹跟踪控制方法包括如下步骤：
5、s1.基于bouc-wen模型建立迟滞非线性系统模型；
6、s2.采用模糊逻辑系统逼近迟滞非线性系统模型未知非线性函数，构建模糊状态观测器，获得系统不可测状态信息量；
7、s3.基于模糊状态观测器，结合反演控制理论，设计系统虚拟控制律；
8、s4.基于误差面和滑模控制理论，设计自适应反演模糊滑模控制器，对反演控制进行改进；
9、s5.采用自适应技术对自适应反演模糊滑模控制器的切换增益进行估计。
10、进一步地，步骤s1中的迟滞非线性系统模型为：
11、
12、其中，xi，i＝1,...,n为系统状态；为状态向量，且为系统实际输出位移；为未知非线性函数；和为未知有界外部扰动；w(u(t))为未知bouc-wen迟滞模型的输出，其数学表达式如下：
13、
14、其中，u(t)为待设计控制输入且存在正常数um使得|u(t)|≤um；为系统迟滞部分；μ1为常数，α为恢复力振幅参数；β和γ分别为迟滞的形状和幅度参数；m为控制迟滞由初始斜率到渐进斜率的平滑度。
15、进一步地，步骤s2具体包括如下步骤：
16、定义系统总扰动且存在未知正常数使得同时，在迟滞非线性系统模型(1)中未知非线性函数由模糊逻辑系统逼近，即为的估计值；定义其中为最优权值向量，和分别为模糊最小逼近误差和模糊逼近误差且存在未知正常数使得和存在正常数li使得构建模糊状态观测器如下：
17、
18、其中，为μ1的估计，且有λi，i＝1,...,n为状态观测器增益。
19、进一步地，步骤s3具体包括如下步骤：
20、引入坐标变换s1＝x1-yr，其中s1为跟踪误差；si为误差面；αi为虚拟控制函数xi-1,d通过一阶滤波器的输出：
21、
22、其中，τi为时间常数；
23、第1步：设计虚拟控制律x1,d和参数的自适应律分别为：
24、
25、
26、其中，
27、第i步(2≤i≤n-1)：定义滤波误差hi＝αi-xi-1,d，设计虚拟控制律xi,d和参数的自适应律分别为：
28、
29、
30、其中，
31、进一步地，步骤s4具体包括如下步骤：
32、s4-1.设计滑模面s：
33、s＝κ1s1+…+κn-1sn-1+sn (9)
34、其中，待设计参数κi的选择使p(p)＝p(n-1)+κn-1p(n-2)+...+κ2p+κ1为hurwitz多项式；
35、通过求解得到等效控制项ueq：
36、
37、s4-2.当考虑系统扰动时，引入切换控制项usw：
38、
39、其中，λi＞0，i＝1,2,3；sign(s)为符号函数；
40、结合等效控制项和切换控制项，设计如下反演模糊滑模控制器：
41、
42、进一步地，步骤s5具体包括如下步骤：
43、设计如下自适应反演模糊滑模控制器：
44、
45、设计自适应律为：
46、
47、其中，和均为待设计的正常数。
48、(三)有益效果
49、本专利技术提出一种基于自适应反演模糊滑模的迟滞非线性系统轨迹跟踪控制方法，主要由迟滞模型的建立、模糊状态观测器与自适应反演模糊滑模控制器的设计三个步骤组成。本专利技术采用可以进行迟滞项分离的bouc-wen模型表征系统的迟滞特性，简化控制器的设计过程，减轻系统的计算负担；通过模糊逻辑系统逼近系统未知非线性函数，在此基础上设计模糊状态观测器估计系统不可测状态，解决迟滞非线性系统部分状态变量难以直接测得的问题，满足迟滞非线性系统平台只有位移传感器的约束条件；最后，基于反演控制理论、滑模控制理论以及自适应技术，设计一种无需前馈逆补偿的自适应反演模糊滑模控制器，使得迟滞非线性系统在存在部分系统状态不可测和外部扰动等因素下，实现快速精确的鲁棒轨迹跟踪控制。该方法选定观测误差和跟踪误差这两种性能，继而设计状态观测器和自适应反演模糊滑模控制器，确保闭环系统中所有信号均有界，实现在特定工况下迟滞非线性系统的快速精确的轨迹跟踪控制和系统的强鲁棒性。
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1.一种迟滞非线性系统轨迹跟踪控制方法，其特征在于，所述轨迹跟踪控制方法包括如下步骤：
2.如权利要求1所述的迟滞非线性系统轨迹跟踪控制方法，其特征在于，步骤S1中的迟滞非线性系统模型为：
3.如权利要求2所述的迟滞非线性系统轨迹跟踪控制方法，其特征在于，步骤S2具体包括如下步骤：
4.如权利要求3所述的迟滞非线性系统轨迹跟踪控制方法，其特征在于，步骤S3具体包括如下步骤：
5.如权利要求4所述的迟滞非线性系统轨迹跟踪控制方法，其特征在于，步骤S4具体包括如下步骤：
6.如权利要求5所述的迟滞非线性系统轨迹跟踪控制方法，其特征在于，步骤S5具体包括如下步骤：
【技术特征摘要】
1.一种迟滞非线性系统轨迹跟踪控制方法，其特征在于，所述轨迹跟踪控制方法包括如下步骤：
2.如权利要求1所述的迟滞非线性系统轨迹跟踪控制方法，其特征在于，步骤s1中的迟滞非线性系统模型为：
3.如权利要求2所述的迟滞非线性系统轨迹跟踪控制方法，其特征在于，步骤s2具体包括如下步骤：
【专利技术属性】
技术研发人员：李梦梦，高泽鹏，张涛，陈宇，崔华盛，李易庭，
申请(专利权)人：中国北方车辆研究所，
类型：发明
国别省市：
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