基于神经网络动态面滑模控制的机械臂系统饱和补偿控制方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及一种基于神经网络动态面滑模控制的机械臂系统饱和补偿控制方法， 特别是带有输入饱和约束的机械臂伺服系统的控制方法。
【背景技术】
[0002] 机械臂伺服系统在机器人、航空飞行器等高性能系统中得到了广泛的应用，如何 实现机械臂伺服系统的快速精确控制已经成为了 一个热点问题。机器臂的轨迹跟踪控制系 统与柔性机械臂问题受到越来越多的重视。然而，未知饱和非线性环节广泛存在于机械臂 伺服系统中，往往会导致控制系统的效率降低甚至是失效。因此，输入饱和的约束必须考 虑在控制器设计过程中。针对机械臂伺服系统的控制问题，存在很多控制方法，例如PID控 制，自适应控制，滑模控制等。
[0003] 滑模控制在解决系统不确定性和外部扰动方面被认为是一个有效的鲁棒控制方 法。滑模控制方法具有算法简单、响应速度快、对外界噪声干扰和参数摄动鲁棒性强等优 点。然而，滑模控制在设计过程中需要满足匹配条件，实际系统匹配条件的不确定性成为了 滑模控制设计的障碍。反演法具有改善滑模控制器性能，放松匹配条件的优点。将滑模控 制与反演法相结合，在控制器的每一步设计中引入虚拟控制变量。然而，反演法将引入复杂 度爆炸的问题。因此，采用动态面滑模控制，使系统的控制器输入变得简单，成为了一个重 要的研究方向。
[0004] 饱和非线性环节广泛存在于机械臂伺服系统、液压伺服系统以及其他工业工程领 域。饱和的存在往往会导致控制系统的效率降低甚至是失效。因此，为提高控制性能，针对 饱和的补偿和控制方法必不可少。传统的饱和补偿方法一般是建立饱和的逆模型或近似逆 模型，并通过估计饱和的上下界参数设计自适应控制器，以补偿饱和的影响。然而，在机械 臂伺服系统等非线性系统中，饱和的逆模型往往不易精确获得。对于系统中存在的未知饱 和输入，基于微分中值定理经行线性化，使其成为一个简单的时变系统，避免了附加补偿。 神经网络广泛应用于处理系统的非线性和不确定性，并取得了良好的控制效果。从而可以 利用神经网络逼近未知函数和系统模型的未知参数，同时避免反演法带来的复杂度爆炸问 题提尚系统的跟踪控制性能。
【发明内容】
[0005] 为了克服现有的机械臂伺服系统的无法有效地饱和补偿，模型参数不确定性，以 及反演法带来的复杂度爆炸等的不足，本发明提供一种基于神经网络动态面滑模控制的机 械臂系统饱和补偿控制方法，简化了控制器的设计结构，实现了带饱和输入的机械臂系统 位置跟踪控制，保证系统稳定快速跟踪。
[0006] 为了解决上述技术问题提出的技术方案如下：
[0007] -种基于动态面滑模控制的机械臂系统饱和补偿控制方法，包括以下步骤：
[0008] 步骤1，建立机械臂伺服系统的动态模型，初始化系统状态、采样时间以及控制参 数，过程如下：
[0009] 1. 1机械臂伺服系统的动态模型表达形式为
[0011] 其中，q和9分别为机械臂连杆和电机的角度；g为重力加速度；I为连杆的惯量； J是电机的惯量；K为弹簧刚度系数;M和L分别是连杆的质量和长度；u是控制信号；V(U) 为饱和，表示为：
[0013] 其中sgn(u)，为未知非线性函数；Vmax为未知饱和参数，满足Vmax> 0 ;
[0020] 步骤2,根据微分中值定理，将系统中的非线性输入饱和进行线性化处理，推导出 带有未知饱和的机械臂伺服系统模型，过程如下：
[0021] 2. 1对饱和模型进行光滑处理
[0023] 贝Ij
[0024] V(u) =sat(u) =g(u)+d(U) (6)
[0025] 其中，d(U)表示光滑函数与饱和模型之间存在的误差；
[0026] 2. 2根据微分中值定理，存在SG(〇,1)使
[0029]选择u。= 0,将式（7)改写为
[0034] 步骤3,计算控制系统跟踪误差，滑模面及微分，过程如下：
[0035] 3. 1定义控制系统的跟踪误差，滑模面为
[0037] 其中，ydS二阶可导期望轨迹，A为常数，且A> 〇 ;
[0038] 3. 2对式（10)求导得：
[0040] 3. 3设计虚拟控制量％ ;
[0041] ^ :(1:2)
[0042] 其中，Ic1为常数，且ki> 0 ;
[0043] 3. 4定义一个新的变量P2，让虚拟控制量石通过时间常数为T2的一阶滤波器：
[0044] TrJU +p-, =?：,, /i?(〇) = z?(〇) (13)
[0045] 3. 5 定义為=A-?，则
[0047]步骤4,针对式（4)，设计虚拟控制量，过程如下：
[0048] 4. 1定义误差变量
[0049] Si=zPi= 2, 3 (15)
[0050] 式（15)的一阶微分为
[0051] Si =zia -yS,.,/ = 2,3 (16)
[0052] 4. 2设计虚拟控制量马+1::
[0053] zm=-^s1-Sia+p, (1,7.)
[0054] 其中，ki为常数，且k;> 0 ;
[0055] 4. 3定义一个新的变量P1+1，让虚拟控制量％通过时间常数为T2的一阶滤波器：
[0059] 步骤5,设计控制器输入，过程如下：
[0060] 5. 1定义误差变量
[0061] S4= Z4-P4 (20)
[0062] 计算式（20)的一阶微分为
[0063] -爲 （21)
[0064] 5. 2为了逼近不能直接得到的非线性不确定项爲、/2㈤以及b2，定义以下神经网 络
[0065]
[0066] 其中，￥%理想权重，& ，，为神经网络理想误差值， 满足IeI<eN，^(?)表达式为：
[0067]
[0068] 其中，a，b，c，d为常数；
[0069] 5. 3设计控制器输入u:
[0070]
[0071] 其中，#为理想权重W的估计值，心为理想误差上界，的估计值；
[0072] 5. 4设计自适应率：
[0073]
[0074] 其中，r= ，，r=rT> 0,' =心-4,F3是自适应增益矩阵，〇，VEN都 是常数，且。> 0,VEN> 0 ;
[0075] 步骤6,设计李雅普诺夫函数
[0079] 如果〇:，贝丨J判定系统是稳定的。
[0080] 本发明基于神经网络，动态面滑模控制方法，考虑输入未知饱和情况下，设计机械 臂伺服系统的饱和补偿的控制方法，实现系统的稳定跟踪，保证跟踪误差在有限时间收敛。
[0081] 本发明的技术构思为：针对状态不可测，并且带有未知饱和输入的机械臂伺服系 统，利用微分中值定理优化饱和结构，提出基于饱和模型的机械臂伺服系统。再结合神经网 络、自适应控制以及动态面滑模控制，设计一种机械臂伺服系统的饱和补偿控制方法。通过 微分中值定理，使饱和连续可微，再通过神经网络逼近未知函数，取消了传统饱和的附加补 偿。并且利用动态面滑模设计虚拟误差变量，避免了反演法所带来的复杂度爆炸问题，实现 系统的位置跟踪控制。本发明提供一种能够有效补偿未知饱和，避免反演法带来的复杂度 爆炸问题的神经网络动态面滑模控制方法，实现系统的稳定快速跟踪。
[0082] 本发明的优点为：避免未知饱和输入对系统位置跟踪控制性能的影响，以及反演 法带来的复杂度爆炸问题，补偿系统未知模型不确定项，实现系统的位置跟踪。
【附图说明】
[0083] 图1为本发明的非线性饱和的示意图；
[0084] 图2为本发明的跟踪效果的不意图；
[0085] 图3为本发明的跟踪误差的示意图；
[0086] 图4为本发明的控制器输入的示意图；
[0087] 图5为本发明的控制流程图。
【具体实施方式】
[0088] 下面结合附图对本发明做进一步说明。
[0089] 参照图1-图5, 一种基于神经网络动态面滑模控制的机械臂系统饱和补偿控制方 法，包括以下步骤：
[0090] 步骤1，建立机械臂伺服系统的动态模型，初始化系统状态、采样时间以及控制参 数，过程如下：
[0091] 1. 1机械臂伺服系统的动态模型表达形式为
[0093]其中，q和0分别为机械臂连杆和电机的角度；g为重力加速度；I为连杆的惯量；J是电机的惯量；K为弹簧刚度系数;M和L分别是连杆的质量和长度；U是控制信号；V(U) 为饱和，表示为：
[0095]其中sgn(u)，为未知非线性函数；Vmax为未知饱和参数，满足vmax> 0 ;
[0096] 定义X1=q，.?=I=AX3= 0，.-? =6 =勾，式⑴改写为
[0102] 步骤2,根据微分中值定理，将系统中的非线性输入饱和进行线性化处理，推导出 带有未知饱和的机械臂伺服系统模型，过程如下：
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