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专利号: 2016101150109
申请人: 浙江工业大学
专利类型:发明专利
专利状态:已下证
专利领域: 手动工具;轻便机动工具;手动器械的手柄;车间设备;机械手
更新日期:2023-12-11
缴费截止日期: 暂无
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摘要:

权利要求书:

1.一种基于非线性自抗扰控制技术的柔性机械臂控制方法,其特征在于:该控制方法包括以下步骤:步骤1:建立如式(1)所示的系统运动方程:其中,q1为电机输入端转动角度, 为电机输入端角加速度, 为电机输入端角加加速度,q2为电机输出端转动角度, 为电机输出端角加速度, 为电机输出端角加加速度,I为连接惯性,J为电机惯性,K为机械臂刚度,u为输入扭矩,M和L为负载质量和负载力矩长度;

步骤2:定义状态变量:x1=q1, x3=q2, 式(1)改写为通过微分同胚映射将式(2)写为

最后得到变换后的系统状态方程为:

其中,

步骤3:设计四阶跟踪微分器

其中, 分别为输入信号v的第i-1阶导数,r>0为速度因子,v为输入信号;

步骤4,设计非线性扩张状态观测器;

4.1 令a(x)=a0+Δa,b=b0+Δb,d=Δa+Δbu,其中b0和a0分别为b和a(x)的最优估计值,根据系统结构给定;基于扩张观测器的设计思想,定义扩张状态z5=d,则式(4)改写为以下等效形式:其中,

4.2 令wi,i=1,2,3,4,5分别为式(5)中状态变量zi的观测值,定义跟踪误差其中 为期望信号,观测误差为eoi=zi-wi,则设计非线性扩张状态观测器表达式为:

其中,β1,β2,β3,β4,β5为观测器增益参数,需用极点配置法确定,gj(eo1)为其中,αj=[1,0.5,0.25,0.125,0.0625],θ=1;

步骤5,运用极点配置法确定观测器增益参数β1,β2,β3,β4,β5的取值;

5.1 令δx1=z1-w1,δx2=z2-w2,δx3=z3-w3,δx4=z4-w4,δx5=h-w5,则式(6)减去式(7)得设h有界,且g(eo1)是光滑的,g(0)=0,g′(eo1)≠0,根据泰勒公式,式(9)写为令 则式(10)写为以下状态空间方程形式

5.2 设计补偿矩阵

则式(11)写为

至此,参数βi的确定转化为li的确定,使式(12)在扰动h的作用下渐近稳定的必要条件是补偿矩阵A的特征值全部落在复平面的左半平面上,即式(12)的极点充分的负,由此,根据极点配置法,选定期望的极点pi(i=1,2,3),使参数li满足其中,I为单位矩阵,令左右两边关于s的多项式的各项系数相等,则分别求出参数l1,l2,l3,l4,l5的值,从而得到扩张状态观测器的表达式为步骤6,基于自抗扰控制方法设计非线性反馈动态补偿线性化控制器u;

6.1,设计非线性反馈:

其中, δ=1;

6.2,根据动态补偿线性化的思想设计自抗扰控制器如下:其中,k1,k2,k3,k4为控制器参数;

6.3,运用极点配置法确定观测器增益参数k1,k2,k3,k4的取值:将式(16)带入式(4)后,有

将式(17)中第四项改写为得到

其中, 为e的四次导数,

则式(18)写为

式(19)写为矩阵形式 其中

使式(19)渐近稳定的必要条件是补偿矩阵A的特征值全部落在复平面的左半平面上,即式(19)的极点充分的负,由此,根据极点配置法,选定期望的极点pi,i=1,2,3,4,使参数ki满足其中I为单位矩阵,令左右两边关于s的多项式的各项系数相等,则分别求出参数k1,k2,k3,k4的值。

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