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专利号: 2021112837924
申请人: 南京师范大学
专利类型:发明专利
专利状态:已下证
更新日期:2025-08-18
缴费截止日期: 暂无
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摘要:

权利要求书:

1.一种六自由度液压机械手有限时间跟踪控制方法,其特征在于:包含以下步骤:

步骤1,建立六自由度并联液压机械手的数学模型;

步骤2,建立液压伺服系统的数学模型;

步骤3,建立了一种具有量化输入的非线性系统,提出一种迟滞量化器来量化输入信号以减少抖动;

步骤4,设计一个状态观测器来估计不可测的状态,对于未知的外部扰动设计了扰动观测器,提出命令滤波方法简化控制器的设计过程;

步骤5,自适应控制器的设计与稳定性分析;

步骤6,对六自由度并联液压机械手的电液伺服系统进行仿真研究,验证本研究所提出控制方法的有效性。

2.如权利要求书1所述的一种六自由度液压机械手有限时间跟踪控制方法,其特征在于:

所述步骤1中:建立六自由度并联液压机械手的数学模型:Stewart平台与基座由六个可伸缩接头连接,由液压执行器驱动;在板块和可伸缩腿的连接处是万向节;机器人动力学由拉格朗日方法导出的二阶非线性微分方程控制,在笛卡尔空间中可以表示为:机械臂动力学由如下非线性方程定义:T

其中状态向量q=[xp,yp,zp,α,β,γ]是一个具有三轴线性平移和旋转元素的向量,M

6×6 6 6

(q)∈R 是惯性矩阵, 是科氏力和离心力向量,G(q)∈R 是重力,τ∈R是施加于关节上的控制力矩的向量,J(q)将力τ从关节空间映射到笛卡尔空间的雅可比矩阵。

3.如权利要求书1所述的一种六自由度液压机械手有限时间跟踪控制方法,其特征在于:

所述步骤2中,建立液压伺服系统的数学模型;气缸的平衡方程为:当电液伺服系统正常运行时,系统向外泄漏很小:因此,忽略了后续推导过程中的向外漏:那么,气缸的流动连续性方程是:伺服阀的阀芯位移xv与负载流量QL之间的关系可以描述为:通常伺服阀的工作频率要比液压缸的工作频率高得多;因此,使用以下近似:xv=Kxvu;

其中KQ是在不同性能点变化的阀门流量增益,所以有:当考虑伺服阀为零电平系统时:xv=Kuiu;

选择负载位移xp、荷载速度 和负载压力PL作为状态变量,对于电液伺服系统,有于是电液伺服系统可被重新描述为:其中 d2=‑ff‑f,

KQ是在不同性能点变化的阀门流量增益;

控制目标是为六自由度液压机械手的电液伺服系统构造一种自适应控制方法,考虑到控制器量化输入和未知外界扰动时,仍然可以保证电液伺服系统的稳定性。

4.如权利要求书1所述的一种六自由度液压机械手有限时间跟踪控制方法,其特征在于:所述步骤3中,提出一种迟滞量化器来量化输入信号以减少抖动:T n i n

其中x(t)=[x1(t),…,xn(t)] ∈R 为系统的状态,fi:R×R→R,i=1,2,…,n是未知光滑函数, 是已知函数;y为系统输入,系统只有输入y可测;

本发明选择的迟滞量化器为:

1‑i

其中ui=ρ umin(i=1,2,…),δ=(1‑ρ)/(1+ρ),umin>0且0<ρ<1;Q(u)的死区范围是由参数umin决定的,Q(u)∈U={0,±ui,±ui(1+δ),i=1,2,…};参数ρ是量化密度的度量。

5.根据权利要求书1所述的一种六自由度液压机械手有限时间跟踪控制方法,其特征在于:所述步骤4中,

在步骤3中因为 是未知光滑的非线性函数,所以在步骤4中需要利用模糊逻辑系统对 进行估计,

系统中的未知非线性项用模糊逻辑系统(FLSs)描述如下,IF‑THEN规则:l l l

R :如果x1是 x2是 是 则yA为A ,l=1,2,...,N其中 和A分别是与模糊函数 和 相关的模糊集,N是模糊规则数.通过单点模糊化、中心加权平均解模糊化、乘积推理,模糊逻辑系统为 其中 满足定义模糊基函数为 令

则模糊逻辑系统可以表示为:状态观测器设计为:

其中 为扰动观测器,li待设计参数;

扰动观测器设计为 其中ωi为辅助变量, 是ωi的估计量,ki为待设计参数;

状态观测器及扰动观测器的设计步骤为:选取如下Lyapunov函数对其求导得

其中

可知,所设计的模糊状态观测器不能保证观测器误差的收敛性;因此,在下一步骤中,我们将设计一个控制器来保证闭环系统在有限时间稳定的意义下的稳定性;

有限时间命令滤波器如下所示:其中αi是输入,Li,1和Li,2是正常数,xi+1,c(t)=Ξi,1(t)且 是输出;

然后,误差补偿信号Γi设计为:其中ci,ai,β是待设计的参数。

6.根据权利要求书1所述的一种六自由度液压机械手有限时间跟踪控制方法,其特征在于:

所述步骤5中,设计了自适应控制器:以及参数θi的自适应律为:并且在稳定性分析部分证明了本发明所设计的自适应控制器可以保证闭环系统的有限时间稳定。

7.根据权利要求书1所述的六自由度液压机械手有限时间跟踪控制算法设计,其特征在于:所述步骤6中,对步骤2所提出的电液伺服系统进行仿真,验证了本发明所提自适应有限时间控制方法的有效性。