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专利号: 202310562459X
申请人: 南通大学
专利类型:发明专利
专利状态:已下证
更新日期:2025-11-27
缴费截止日期: 暂无
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摘要:

权利要求书:

1.一种基于分数阶反馈的机械臂减振控制方法,其特征在于,包括以下步骤:基于机械臂动力学特性,构建所述机械臂的动力模型;

基于所述动力模型,获取当前位置的力矩,建立电机力矩变化方程;

基于所述电机力矩变化方程,构建分数阶微分反馈的综合控制器;

基于对所述综合控制器进行频率响应分析,获取反馈控制低通滤波器频率响应函数;

在开环控制下测试机械臂振动响应特性,分析在电机驱动力作用下机械臂的振动频率特性;

基于所述机械臂的频率特性,构建反馈控制器;

基于截取所述反馈控制器的特定长度以及FFT快速算法,获取分数阶反馈控制器。

2.根据权利要求1所述的方法,其特征在于,所述基于机械臂动力学特性,构建机械臂的动力模型的方法,包括:根据公式(1),构建所述动力模型;所述公式(1)为:其中,t表示时间,q(t)表示t时刻的关节角度, 和 分别表示q(t)的一阶导和二阶导,M(q(t))为正定惯性矩阵, 为科里奥利、离心力矩阵,G(q(t))为重力力矩矩阵,τ(t),τd(t)分别为驱动力矩和干扰力矩。

3.根据权利要求2所述的方法,其特征在于,所述基于所述动力模型,获取当前位置的力矩,建立电机力矩变化方程的方法,包括:基于所述机械臂当前关节角度q(t)以及下一时刻期望的关节角度q(t+dt),获取下一时刻电机的驱动力矩τ(t+dt);

基于所述驱动力矩,构建公式(2);公式(2)为:Δτ(t+dt)=τ(t+dt)‑τ(t)        (2);

基于公式(1)和公式(2),构建所述电机力矩变化方程;其中,所述电机力矩变化方程的公式(3)为:其中dt为采样间隔时间,Δτ(t+dt)为一步驱动力矩增量,q(t+dt)为t+dt时刻期望的关节角度;M(q(t+dt)), G(q(t+dt))由相应的雅克比矩阵得到公式(4);所述公式(4)为:

其中M’(q(t))表示M的导数,表示正定惯性矩阵变化率; 表示的导数,表示科里奥利、离心力矩阵随角度变化率。

4.根据权利要求3所述的方法,其特征在于,所述基于所述电机力矩变化方程,构建分数阶微分反馈的综合控制器的方法,包括:基于公式(5),构建所述综合控制器u(t);所述公式(5)为:其中,β表示分数阶微分阶次, 表示q(t)的分数阶微分,其定义表达式为:其中ξ为自变量。

5.根据权利要求4所述的方法,其特征在于,所述基于对所述综合控制器进行频率响应分析,获取反馈控制低通滤波器频率响应函数的方法,包括:对所述综合控制器进行频率响应分析,获取所述综合控制器响应函数;所述综合控制器响应函数的公式(6)为:其中, 可视为通过分数阶反馈得到的低通滤波器;H(s)表示输入驱动力矩与输出关节角度的开环传递函数,其中Q(s)表示q(t)的拉普拉斯变换,s表示拉普拉斯变换算子;

基于所述综合控制器响应函数,获取所述反馈控制低通滤波器频率响应函数;所述反馈控制低通滤波器频率响应函数的公式(7)为:|H2(jω)|表示频率响应函数H2(jω)的幅度函数,ψ(jω)表示频率响应函数H2(jω)的相位函数。

6.根据权利要求5所述的方法,其特征在于,所述基于所述机械臂的频率特性,构建反馈控制器的方法,包括:基于所述频率响应函数H2(jω)的截止频率ωc,选择反馈控制器参数k和β;

基于所述频率响应函数的截止频率H2(jω),选择反馈控制器参数k和β,以使得选择反馈控制器参数k和β,分数阶反馈控制器u(t);

其中,所述分数阶反馈控制器的公式(8)为:将分数阶微分定义离散化可以得到离散的分数阶反馈控制器;其中所述分数阶反馈控制器的公式(9)为:其中,dt表示离散间隔时间, 表示对 圆整,且满足 表示离散分数阶微分。

7.根据权利要求6所述的方法,其特征在于,所述基于截取所述反馈控制器的特定长度以及FFT快速算法,获取分数阶反馈控制器的方法,包括:+ n

基于公式(5),截取有限长度L∈N (L=2,n为整数),得到改进反馈控制器;所述改进反馈控制器的公式(10)为:基于卷积运算性质和公式(10),获取公式(11);所述公式(11)为:‑β ‑β ‑β

基于公式(11)计算权系数W(1)=1 ,W(2)=2 ,…,W(L)=L ,得到公式(12);所述公式(12)为:基于所述权系数,获取周期信号;

基于所述周期信号和所述FFT算法,对所述改进反馈控制器进行快速运算。