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专利号: 2023101210928
申请人: 广州大学
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:

1.一种带有输出约束的机械臂系统的固定时间控制方法,其特征在于,包括以下步骤:S1、对n自由度机械臂系统进行建模,得到机械臂系统的数学模型;

S2、根据单连杆机械臂系统的系统误差,设计控制律τi、虚拟控制律ai、和自适应律S3、设计机械臂系统的事件触发机制;

S4、仿真分析,若系统的所有闭环信号都是有界的,且系统收敛时间的上界与系统的初始状态无关,且无Zeno现象出现,则说明所述n自由度机械臂系统,控制律τi、虚拟控制律ai、和自适应律 和事件触发机制可以实现系统的实际固定时间稳定。

2.根据权利要求1所述的带有输出约束的机械臂系统的固定时间控制方法,其特征在于:所述步骤S1中,选取单连杆机械臂系统的数学模型如下:T

其中,q=[q1,q2,…,qn] 是关节角(系统输出), 是角速度,是角加速度;M(q)为惯性矩阵, 为离心力和哥氏力矩阵,G(q)为重T

力矢量;J代表雅克比矩阵,f(t)是机械臂受到的力,u=[u1,u2,…,un]是控制力矩。

3.根据权利要求1所述的带有输出约束的机械臂系统的固定时间控制方法,其特征在于:所述步骤S2中,机械臂的系统误差为:T T

其中,z=[z1,z2,…,zn]为跟踪误差,e=[e1,e2,…,en]是虚拟误差,qd=[qd1,qd2,…,T T

qdn]是系统的期望输出,α=[a1,a2,…,an]是待设计的虚拟控制律。

4.根据权利要求3所述的带有输出约束的机械臂系统的固定时间控制方法,其特征在于:在对所选取的李雅普诺夫函数求导后会存在一个不确定函数F(X),其中:工程应用中,系统的惯性矩阵和重力矢量等是难于获得的,所以考虑F(X)是未知的,并利用RBFNNs对其进行逼近处理可得:*T

Fi(Xi)=Wi Si(Xi)+εi(Xi)* N

其中W ∈R表示未知的理想权值向量;N为神经元的数量;S(X)=[S1(X),S2(X),...,SNT N

(X)] ∈R表示已知的基函数向量;ε(X)∈R为有界的逼近误差,即 X=T n

[X1,X2,...,Xn]∈R表示输入向量。

5.根据权利要求4所述的带有输出约束的机械臂系统的固定时间控制方法,其特征在于:第j个神经元的基函数向量通常选择为:n

其中,j=1,2,...,n,Cj∈R为高斯函数中心点向量;wj∈R为高斯函数宽度;

由杨氏不等式可得:

*T

eiFi=eiWi Si+eiεi* 2

其中,a为设计参数,θi=||Wi||是未知常数。

6.根据权利要求1所述的带有输出约束的机械臂系统的固定时间控制方法,其特征在于:步骤S2中,控制律τi、虚拟控制律ai、和自适应律 设计如下:其中,ri>0是设计参数, b1i>0,c1i>0。b2i>0,c2i>0,l1i>0,l2i>0。

7.根据权利要求1所述的带有输出约束的机械臂系统的固定时间控制方法,其特征在于:所述步骤S3中,对实际控制输入进行设计,为了节约系统的通信资源,设计事件触发机制如下:其中,mi(t)=ωi(t)‑ui(t)是测量误差;是待设计的虚拟控制律;设计参数满足δi>0,

0<ρi<1,si>0;ti,k代表某个事件触发的时刻, ti,1为初始时刻。

8.根据权利要求1所述的带有输出约束的机械臂系统的固定时间控制方法,其特征在于:所述步骤S4中,考虑二连杆机械臂系统,系统动力学模型给定如下:T

C22=0,G(q)=[G11,G21],J11=‑(I1sinq1+I2sin(q1+q2)),J12=‑I2sin(q1+q2),J21=l1cosq1+I2cos(q1+q2),J22=I2cos(q1+q2)其中,m1和m2分别为连杆1和连杆2的质量,l1和l2为连杆长度I1和I2为惯性矩,lc1和lc2为连杆质心位置。

9.根据权利要求8所述的带有输出约束的机械臂系统的固定时间控制方法,其特征在T T

于:受到的外力为f(t)=[sin(t)+0.5,cos(t)+0.5]N;系统初始状态为q=[0.1,0.1] rad,T期望输出为qd=[sin(2t),sin(2t)] rad;假设系统存在输出约束:控制器参数设计如下:κi=0.3,b11=c11=25,b21=c21=0.1,b12=c12=11,b22=c22=

0.1,a1=1,a2=0.5,r1=r2=1,λ11=λ21=1,λ12=λ22=1,ρ1=ρ2=0.01,s1=s2=2,δ1=δ2=T

1,θ1(0)=θ2(0)=0,仿真步长为0.01s;基函数选择为Sj=(X)=exp[‑(X‑Cj) (X‑Cj)/2]。