[发明专利]一种欠驱动机械系统伺服约束跟踪控制器的设计方法

说明书

本发明提供了一种欠驱动机械系统伺服约束跟踪控制器的设计方法，包括以下步骤：构建含有参数不确定性的欠驱动机械系统的动力学模型，并对该系统中的不确定性进行有效地分解；将该系统所要实现的跟踪性能要求视为伺服约束，构建伺服约束的二阶形式；基于所述构建的动力学模型和二阶伺服约束设计自适应律鲁棒控制器；对构建的自适应律鲁棒控制器进行稳定性分析；对构建的自适应律鲁棒控制器中的主要参数进行调节，并分析控制效果。本发明的欠驱动机械系统约束跟踪控制器的设计可有效处理系统参数不确定性和外界干扰的影响，同时使系统快速稳定并精确跟踪给定的跟踪性能要求。

技术领域

本发明涉及机械系统动力学控制领域，尤其是一种欠驱动机械系统伺服约束跟踪控制器的设计方法。

背景技术

欠驱动系统是指系统的独立控制变量个数小于系统自由度个数的一类非线性系统，在节约能量、降低造价、减轻重量、增强系统灵活度等方面都较完全驱动系统优越。欠驱动系统结构简单，便于进行整体的动力学分析和试验。同时由于系统的高度非线性、参数摄动、多目标控制要求及控制量受限等原因，欠驱动系统又足够复杂，便于研究和验证各种算法的有效性。桥式吊车、倒立摆系统、垂直起降飞行器、柔性机械手等都是典型的欠驱动系统。

相对而言，欠驱动系统的控制难度要明显高于全驱动系统，在理论上，我们希望系统是全驱动的，但是在实际中，在很多情况下，由于物理和经济上的原因，很多系统无法达到全驱动，同时，由于欠驱动系统的控制变量个数较少，所以在控制中常常具备较低的成本造价、较高的灵活性以及减轻重量、降低能耗等优点，所以在很多情况下需要使用欠驱动系统。此外，有些全驱动系统在发生故障的时候，会自动转换为欠驱动系统。从一定意义上来讲，欠驱动系统可以看作是全驱动系统的容错情况，在实际的应用中，无论是从成本还是结果上都有应用价值。所以，针对欠驱动系统的研究是十分必要的。

针对欠驱动机械系统的控制问题，国内外研究人员先后开发了多种控制方法，并取得一定效果，具有代表性的有PID控制，线性反馈控制，LQR(linear quadraticregulator，线性二次型调节器)控制，鲁棒控制等。其中，PID控制和线性反馈控制在非线性扰动下系统容易震荡，LQR控制鲁棒性不强，鲁棒控制容易产生超调和不必要的控制消耗。

因此，亟待需要提供一种稳定性和鲁棒性强的控制方案。

发明内容

针对上述技术问题，本发明提供一种欠驱动机械系统伺服约束跟踪控制器的设计方法，该方法可有效处理系统参数不确定性和外界干扰的影响，同时使系统快速稳定并精确控制力矩输出。

本发明采用的技术方案为：

一种欠驱动机械系统伺服约束跟踪控制器的设计方法，包括以下步骤：

构建含有参数不确定性的欠驱动机械系统动力学模型，并对该系统中的不确定性进行有效地分解；

将欠驱动机械系统所要实现的跟踪性能要求视为伺服约束，通过对该约束进行求导，得到伺服约束的二阶表达形式；

针对欠驱动机械系统特性和伺服约束特性，提出一定的假设要求；

基于所述构建的欠驱动系统动力学模型和二阶伺服约束，以及所提出的假设要求，设计一种自适应鲁棒约束跟踪控制器，其中的自适应律可以根据跟踪误差实时调整；

对构建的自适应律鲁棒控制器进行稳定性分析；

对构建的自适应律鲁棒控制器中的主要参数进行调节，并分析控制效果。

可选地，所述构建含有参数不确定性的欠驱动系统的动力学模型包括：

构建下述方程(1)所示的欠驱动机械系统的动力学模型：