【技术实现步骤摘要】
本专利技术涉及机器人系统精准控制与故障处理领域，尤其涉及一种可用于机器人系统的容错控制器设计方法。
技术介绍
1、机器人系统的高精度控制问题一直是机器人控制领域专家广泛研究的问题，尤其是在机器人系统出现执行器部分失效故障时，其故障的快速准确处理不但可以提高机器人系统的安全性与可靠性，还可以保持机器人系统在出现故障时仍能保证既定的控制精度，从而不影响作业任务的正常实施。众所周知，机器人需要长时间进行重复且繁琐的作业任务，其关键部件，特别是执行机构长时间处于连续的工作状态，致使其性能下降，甚至出现故障等情况。如果不能及时处理这些故障便需要对机器人进行停机检查修复，而这将大大影响生产效率，从而给经济上带来一定的损失。因此，有必要深入研究机器人系统的容错控制问题，在机器人系统出现常见故障后可以快速处理故障，以此提高机器人系统的安全性与可靠性，同时保证机器人系统的控制精度，是未来机器人精准控制技术中亟待解决的问题。
2、目前，针对不确定机器人系统提出的大多数的容错控制方法，一般只考虑机器人系统轨迹跟踪误差的稳态性能，即机器人系统稳定时的控制精度，而没有考虑机器人系统的动态响应性能。当机器人系统出现故障时如果不能快速响应解决机器人系统的故障，也会影响机器人系统的控制精度。
技术实现思路
1、针对现有方法的不足，本专利技术提供一种可用于机器人系统的容错控制器设计方法，该方法将固定时间控制与预设性能控制相结合，基于终端滑模的设计框架，提出一种固定时间预设性能容错控制器，有效地解决了机器
2、本专利技术为实现上述目的所采用的技术方案是：
3、一种可用于机器人系统的容错控制器设计方法，包括以下步骤：
4、步骤1：建立机器人动力学开环系统；
5、所述机器人动力学开环系统为：
6、
7、其中，分别表示机器人系统旋转关节的位置信息、速度信息以及加速度信息；m0(q)表示机器人系统的惯性矩阵的标称值，δm(q)表示机器人系统的惯性建模不确定值；表示离心力-哥氏力矩阵的标称值，表示机器人系统的离心力-哥氏力建模不确定值；g0(q)表示机器人系统的重力向量标称值，δg(q)表示机器人系统的重力建模不确定值；τ表示控制输入向量；d∈rn表示未知输入干扰向量，n表示机器人系统的自由度；γ∈rn×n表示机器人系统关节执行器失效率矩阵，其为对角正定矩阵，用于表征执行器的健康状态，其值为1则代表全失效，否则代表部分失效；
8、步骤2：在机器人动力学开环系统的控制输入向量中引入执行器输入饱和非线性，得到引入执行器输入饱和非线性的控制输入向量；
9、所述引入执行器输入饱和非线性的控制输入向量为：
10、
11、其中，τ(u)表示引入执行器输入饱和非线性的控制输入向量，u表示执行器的输入信息；τm表示控制输入的最大幅值；sig(u)定义为sig(u)＝[sign(u1)|u1|,…,sign(ui)|ui|…,sign(un)|un|]t，其中，ui表示执行器的输入信息u的第i项；sign()表示符号函数，||||表示向量取模函数；
12、步骤3：构建改进的预设性能函数；
13、所述改进的预设性能函数为：
14、
15、其中，ρ(t)表示改进的预设性能函数；ρ0，ρ∞，t和l为待设计的函数性能参数，其中，ρ0表示初始值，ρ∞表示最终收敛值，t为固定的收敛时间，l为调节比例参数；t为时间变量，exp()表示自然指数函数；
16、步骤4：根据改进的预设性能函数并基于终端滑模框架设计终端滑模面；
17、s＝ε2+k1sigr(ε1)+k2wp(ε1)
18、sigr(ε1)＝[sign(ε11)ε11r,…,sign(ε1i)ε1ir…,sign(ε1n)ε1nr]t
19、wp(ε1)＝[wp(ε11),…,wp(ε1i),…,wp(ε1n)]t
20、
21、其中，s为设计的终端滑模面；k1和k2为待设计的对角正定矩阵；e为位置误差向量，即e＝[e1,…,ei…,en]t，ei为机器人第i个关节的位置误差，且ei＝qi-qid，qi为第i个关节的实际位置值，qid为第i个关节的期望位置值，为位置误差向量e的导数；ε1为位置误差向量e转换后的位置误差向量，ε1i为转换后的位置误差向量ε1中的第i项；ε2为位置由误差向量以及其导数组成的向量，ρ设计的预设性能函数，为ρ的导数；a为由预设性能函数组成的矩阵；为待设计的预设性能上边界值，b待设计的预设性能下边界值；r和p为正常数，并满足0＜p＜1,r＞1；符号||为取绝对值，ln()表示以常数e为底的自然对数符号，diag()表示对角矩阵构建函数；δ为待设计的正常数；
22、步骤5：基于所设计的机器人动力学开环系统、引入执行器输入饱和非线性的控制输入向量和终端滑模面，建立固定时间预设性能容错控制器；
23、u＝ua+ub
24、ua＝τ0+τ1+τ2
25、
26、其中，执行器的输入信息u由两部分组成分别为控制输入的第一项ua和控制输入的第二项ub；τ0表示控制力矩标称项，τ1表示不确定信息抵消项，τ2表示由τ0和τ1组成的混合项；k0为控制增益比例矩阵；σ为幂指数项；表示机器人系统干扰与不确定项的集总上界值；a为任意大于0的常数；λmin(γ)表示取矩阵最小特征值；k为待设计的正常数；sigσ(s)＝[sign(s1)s1σ,…,sign(si)siσ…,sign(sn)snσ]t，si表示终端滑模面的第i项；
27、u0和u1定义为：
28、
29、u1＝ae-qd+k1sigr(ε1)+k2wp(ε1)
30、mr(ε1)＝diag(r|ε11|r-1,…,r|ε1i|r-1,…,r|ε1n|r-1)
31、fp(ε1)＝diag(fp(ε11),…,fp(ε1i),…,fp(ε1n))
32、
33、其中，为矩阵a的导数；qd为各关节期望位置值，表示各关节期望位置的二阶导数。
34、本专利技术具有以下有益效果及优点：
35、1.同时考虑了执行器部分失效故障、建模不确定性、外部干扰以及输入饱和非线性问题，提升方法应用于实际物理系统的能力，大大拓宽了其应用范围与价值；
36、2.在现有预设性能函数的基础上提出一种性能更优异的预设性能函数，该预设性能函数为一种新颖的固定时间收敛预设性能函数，并基于此函数设计一种固定时间预设性能主动容错控制器，使得不确定机器人系统在发生执行器部分失效本文档来自技高网...
【技术保护点】
1.一种可用于机器人系统的容错控制器设计方法，其特征在于，包括以下步骤：
2.根据权利要求1所述的一种可用于机器人系统的容错控制器设计方法，其特征在于，步骤1中所述机器人动力学开环系统为：
3.根据权利要求2所述的一种可用于机器人系统的容错控制器设计方法，其特征在于，步骤2中所述引入执行器输入饱和非线性的控制输入向量为：
4.根据权利要求3所述的一种可用于机器人系统的容错控制器设计方法，其特征在于，步骤3中所述改进的预设性能函数为：
5.根据权利要求4所述的一种可用于机器人系统的容错控制器设计方法，其特征在于，步骤4中所述终端滑模面为：
6.根据权利要求5所述的一种可用于机器人系统的容错控制器设计方法，其特征在于，步骤4中所述固定时间预设性能容错控制器为：
【技术特征摘要】
1.一种可用于机器人系统的容错控制器设计方法，其特征在于，包括以下步骤：
2.根据权利要求1所述的一种可用于机器人系统的容错控制器设计方法，其特征在于，步骤1中所述机器人动力学开环系统为：
3.根据权利要求2所述的一种可用于机器人系统的容错控制器设计方法，其特征在于，步骤2中所述引入执行器输入饱和非线性的控制输入向量为：
4...
【专利技术属性】
技术研发人员：高升，张伟，李婷，邹晨洋，吕正洋，田远征，
申请(专利权)人：中国科学院沈阳自动化研究所，
类型：发明
国别省市：
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