本发明涉及机械控制技术领域，特别涉及一种柔性物料提升机的位置鲁棒控制器及其设计方法。
背景技术：
物料提升机广泛的应用于工、农业等领域，是一种常见的垂直运输物料的设备，其机械结构也可适用其他领域，如军工业等。
传统物料提升机结构笨重，响应较慢，抗干扰能力差；并且一般将其视为刚性结构，并基于此进行动力学模型设计。但实际生产中，其驱动设备为电机和谐波减速器，垂直传动采用传动链条，通过电机带动链条，这种链传动和谐波减速装置具有一定的柔性。这种柔顺特性能够对物料装卸时产生的冲击起到缓冲效果，但同时也加大了建模的难度。并且关节的柔性在机械臂运动中产生高频振动，可能使控制系统不稳定。
技术实现要素：
本发明提供一种柔性物料提升机的位置鲁棒控制器及其设计方法，解决现有技术中柔性物料提升机的高频振动，位置控制精度差的技术问题。
为解决上述技术问题，本发明提供了一种具有链传动和谐波齿轮传动的柔性物料提升机的位置鲁棒控制器的设计方法，包括：
建立柔性物料提升机的惯性坐标系；
基于所述惯性坐标系，将柔性物料提升机简化为具有链传动和谐波齿轮传动的两自由度柔性关节机械臂模型；
建立所述柔性关节机械臂模型的动力学模型；
采用奇异摄动法将所述动力学模型降阶为快变子系统和慢变子系统；
基于所述快变子系统和所述慢变子系统形成混合控制器实现柔性传动关节物料提升机的控制。
进一步地，所述建立物料提升机的惯性坐标系包括：
以柔性物料提升机的基座为基础建立惯性坐标系OXY。
进一步地，基于所述惯性坐标系，将柔性物料提升机简化为具有链传动和谐波齿轮传动的两自由度柔性关节机械臂模型包括：
将柔性物料提升机的链传动的升降部分简化为滑块，其质心为A2，升降位移为y；
将电机直接驱动的旋转支臂简化为一末端具有集中质量的单臂，质心为A3，翻转角度为θ；
将链条的柔性简化为具有集中质量的刚度系数为k1的线性弹簧，其链条位移为yl；
将谐波减速器的柔性简化为扭转系数为k2的线性扭簧，电机轴转角为θl。
进一步地，所述动力学模型包括，
采用拉格朗日方法建立如下动力学模型：
其中：M1为系统正定惯性矩阵；M2＝diag(ml,I)为柔性传动关节惯性矩阵；N为哥式力、离心力矩阵；G为重力矩阵；K＝diag(k1,k2)为柔性传动关节刚度系数矩阵；q＝(y,θ)为系统广义位移；ql＝(yl,θl)为传动关节柔性位移；u＝[τ1；τ2]为驱动力矩向量。
进一步地，采用奇异摄动法将所述动力学模型降阶为快变子系统和慢变子系统包括，基于奇异摄动法将所述动力学模型中的动力学方程分解为慢变子系统和快两个子系统；
慢变子系统：
快变子系统：
其中：us为慢变子系统的输入，uf快变子系统的输入，ε为正极小值，定义新的弹性力变量为z＝K(ql-q)，定义新的刚度矩阵为定义新的快变子变量定义新的快变时间尺度tf＝t/ε。
进一步地，基于所述快变子系统和所述慢变子系统形成混合控制器包括：分别针对所述快变子系统和所述慢变子系统设置快变子系统控制器以及慢变子系统控制器；
所述快变子系统控制器：
该控制器将系统传动关节速度和柔性关节速度差作为反馈，其中：Kf＝Kα/ε，Kα为正定对角矩阵；
所述慢变子系统控制器：
该控制器基于HJI定理和RBF神经网络的混合自适应鲁棒控制器，其中：qd为期望轨迹，e＝q-qd，α为一正常数，为神将网络权值，λ为HJI定理限定的正常数。Φ为RBF神经网络基函数。
进一步地，所述混合控制器包括：
u＝uf+us。
一种具有链传动和谐波齿轮传动的柔性物料提升机的位置鲁棒控制器，采用所述的设计方法获得的控制器。
本申请实施例中提供的一个或多个技术方案，至少具有如下技术效果或优点：
本申请实施例中提供的柔性物料提升机的位置鲁棒控制器及其设计方法，优化现有的物料提升机的控制模式，将链传动和谐波减速装置的柔性引入到物料提升机的动力学模型中，相对于传统的基于刚性结构的动力学模型，能够在保留缓冲效果，抗冲击能力的同时，还可以提升控制精度。基于奇异摄动法针对柔性物料提升机设计混合控制器，实现针对位置的鲁班控制和柔性振动的抑制，从而使得具备柔性关节机械臂能够实现高精度控制的性能。
附图说明
图1为本发明提供的柔性物料提升机的位置鲁棒控制器结构示意图；
图2为本发明提供的柔性物料提升机的简化模型结构示意图；
图3为本发明提供的慢变子控制器结构示意图；
图4为本发明提供的柔性物料提升机的结构示意图。
具体实施方式
本申请实施例通过提供一种柔性物料提升机的位置鲁棒控制器及其设计方法，解决现有技术中柔性物料提升机的高频振动，位置控制精度差的技术问题。
为了更好的理解上述技术方案，下面将结合说明书附图以及具体的实施方式对上述技术方案进行详细说明，应当理解本发明实施例以及实施例中的具体特征是对本申请技术方案的详细的说明，而不是对本申请技术方案的限定，在不冲突的情况下，本申请实施例以及实施例中的技术特征可以相互组合。
参见图4，本实施例基于具有链传动和谐波齿轮传动的柔性物料提升机进行方案说明。
具体来说，物料提升机的基本结构由整体机架、支臂移动台和末端带料斗的翻转支臂组成。机架两端安装有链条，上下有链轮，其中，上链轮为从动链轮，下链轮为主动链轮，左侧链轮为张紧链轮。移动台由链条驱动，可沿机架上的导轨上下移动。支臂末端有料斗，用于承载物料，支臂可绕移动台上的轴转动。旋转支臂和链条均由电机驱动。
本实施的方案描述都是以上述结构的物料提升机为例进行说明。
将柔性物料提升机的模型简化为具有链传动和谐波齿轮传动的两自由度机械臂，并按照Spong模型将这种传动柔性简化为具有集中质量的无惯性扭/弹簧，并采用拉格朗日方程建立柔性传动关节机械臂的动力学模型，然后基于奇异摄动法将该动力学模型降阶为慢、快两个子系统。慢变子系统表征机械臂系统的刚性运动，设计可适用任何刚性系统的鲁棒控制，快变子系统则表征机械臂关节的柔性运动，设计为可快速抑制振动的速度反馈控制，将快、慢两个控制器相加则可得到整个系统的混合控制器，该混合控制器可实现柔性传动关节物料提升机在存在外界干扰下的位置精确控制和柔性关节振动的快速抑制。
下面将结合附图进行具体说明。
参见图1，一种具有链传动和谐波齿轮传动的柔性物料提升机的位置鲁棒控制器的设计方法，包括：
建立柔性物料提升机的惯性坐标系；
基于所述惯性坐标系，将柔性物料提升机简化为具有链传动和谐波齿轮传动的两自由度柔性关节机械臂模型；
建立所述柔性关节机械臂模型的动力学模型；
采用奇异摄动法将所述动力学模型降阶为快变子系统和慢变子系统；
基于所述快变子系统和所述慢变子系统形成混合控制器实现柔性传动关节物料提升机的控制。
下面将分别具体貌似上述方法步骤。
所述建立物料提升机的惯性坐标系包括：以柔性物料提升机的基座为基础建立惯性坐标系OXY；并以其作为模型简化和模型设计的基础。
参见图2，基于所述惯性坐标系，将柔性物料提升机简化为具有链传动和谐波齿轮传动的两自由度柔性关节机械臂模型包括：
将柔性物料提升机的链传动的升降部分简化为滑块，其质心为A2，升降位移为y；
将电机直接驱动的旋转支臂简化为一末端具有集中质量的单臂，质心为A3，翻转角度为θ；
将链条的柔性简化为具有集中质量的刚度系数为k1的线性弹簧，其链条位移为yl；
将谐波减速器的柔性简化为扭转系数为k2的线性扭簧，电机轴转角为θl。
进一步地，基于上述坐标系OXY和两自由度柔性关节机械臂模型，结合拉格朗日方程建立动力学模型；具体来说们，所述动力学模型包括，
其中：M1为系统正定惯性矩阵；M2＝diag(ml,I)为柔性传动关节惯性矩阵；N为哥式力、离心力矩阵；G为重力矩阵；K＝diag(k1,k2)为柔性传动关节刚度系数矩阵；q＝(y,θ)为系统广义位移；ql＝(yl,θl)为传动关节柔性位移；u＝[τ1；τ2]为驱动力矩向量。
进一步地，采用奇异摄动法将所述动力学模型降阶为快变子系统和慢变子系统包括，基于奇异摄动法将所述动力学模型中的动力学方程分解为慢变子系统和快两个子系统；
慢变子系统：
快变子系统：
其中：us为慢变子系统的输入，uf快变子系统的输入。
其推演过程具体为，定义ε为正极小值，定义新的弹性力变量为z＝K(ql-q)，定义新的刚度矩阵为定义新的快变子变量定义新的快变时间尺度tf＝t/ε。
将新变量带入式(1)中，可得到新的奇异摄动模型：
令上式中ε为零，谐波减速器与机械臂关节之间近似刚性连接，可得：
参见图3，将上式代入式(3)中，即可得到慢变子系统的模型：
并将式(2)中的代入式(3)中，左乘并将ε视为0，可得出定义新的快变子变量可得模型的快变子系统模型：
进一步地，基于所述快变子系统和所述慢变子系统形成混合控制器包括：分别针对所述快变子系统和所述慢变子系统设置快变子系统控制器以及慢变子系统控制器；
该控制器将系统传动关节速度和柔性关节速度差作为反馈，其中：Kf＝Kα/ε，Kα为正定对角矩阵；
所述慢变子系统控制器：
该控制器基于HJI定理和RBF神经网络的混合自适应鲁棒控制器，其中：qd为期望轨迹，e＝q-qd，α为一正常数，为神将网络权值，λ为HJI定理限定的正常数。Φ为RBF神经网络基函数。
参见图1，基于所述慢便控制器和快变子系统控制器，所述混合控制器包括：
u＝uf+us。
本实施例基于上述方法，提供一种控制器。
一种具有链传动和谐波齿轮传动的柔性物料提升机的位置鲁棒控制器，采用所述的设计方法获得的控制器。
本申请实施例中提供的一个或多个技术方案，至少具有如下技术效果或优点：
本申请实施例中提供的柔性物料提升机的位置鲁棒控制器及其设计方法，优化现有的物料提升机的控制模式，将链传动和谐波减速装置的柔性引入到物料提升机的动力学模型中，相对于传统的基于刚性结构的动力学模型，能够在保留缓冲效果，抗冲击能力的同时，还可以提升控制精度。基于奇异摄动法针对柔性物料提升机设计混合控制器，实现针对位置的鲁班控制和柔性振动的抑制，从而使得具备柔性关节机械臂能够实现高精度控制的性能。
最后所应说明的是，以上具体实施方式仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照实例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的精神和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。