一种电机驱动机械的自适应鲁棒反馈运动控制方法

本发明设计自动控制，具体是涉及一种对电机驱动机械的自适应鲁棒反馈运动控制方法。

背景技术：

1、电机驱动的机械相较液压或气动传动的机械，具有运动响应快、控制稳定、体积小等优点，广泛应用于医疗器械、工业生产、交通运输等国家支柱产业，以及国防军事、航空航天等国家战略领域。这些电机驱动的机械设备通常由运动执行器、电机、传动系统和控制系统组成，运动执行器与电机的输出轴联动；电机一般采用伺服电机，可以选择通过丝杠和螺母、带轮传动等方式进行传动，此时运动执行器与螺母固定，通过控制电机的转动来实现运动。自适应控制是一种根据系统反馈信息调整控制参数的方法，以适应系统动态变化和参数不确定性。在电机驱动机械中，自适应控制可以根据运动工作条件不同的负载阻力，调整控制参数以达到一致的运动轨迹与推力。鲁棒控制是一种针对系统参数不确定性和外部干扰的控制方法，以保证系统的稳定性和性能。在电机驱动机械中，鲁棒控制可以应对外部干扰(如环境随机振动)和系统参数不确定性(如机械摩擦、负载变化)对运动跟踪精度的影响。

技术实现思路

1、本发明要解决的技术问题是提供一种可用于不同运动负载条件，自适应调整反馈控制参数，以达到设定的运动轨迹，且同时可以抵抗外界干扰，适用于复杂应用场景的电机驱动机械运动控制方法。

2、自适应鲁棒反馈运动控制方法是为了确保电机驱动机械能够适应不同的运动负载条件和环境条件，以提供稳定、准确的运动。这种方法结合了自适应控制和鲁棒控制的理念。

3、本发明解决上述技术问题所采用的技术方案为：一种电机驱动机械的自适应鲁棒反馈运动控制方法，主要由前馈补偿模块、自适应模块和鲁棒反馈模块执行，具体包括：

4、(1)设定控制目标的期望运动轨迹；

5、(2)获取自适应模块输出的系统未知常数估计值，利用前馈补偿模块获得前馈补偿控制输入；

6、(3)以获得的系统控制输入运行系统，获取控制目标的实际运动轨迹，根据控制目标的期望运动轨迹，得到系统控制误差；

7、(4)以系统控制误差作为输入：利用鲁棒反馈模块获取当前鲁棒反馈控制输入；利用自适应模块获取当前系统未知常数估计值，返回步骤(2)，实现电机驱动机械的自适应鲁棒反馈运动控制。

8、建模时，首先基于对模型的先验知识，建立前馈补偿模块；然后建立自适应模块，实时调整前馈补偿控制参数；同时搭建鲁棒反馈模块，根据系统误差调整反馈控制输入。

9、本发明中，所述控制目标为电机驱动机械的运动执行器。

10、所述运动执行器是指机械结构中负责最终实现运动完成工作任务的机构，常见的电机驱动机械包括心肺复苏用胸外按压机械、塑料工业中注射成形机的开合模机构、注射机构等，其对应的执行器分别为胸外按压头、动模板和注射螺杆。

11、作为进一步优选，所述电机驱动机械为胸外按压机械，所述控制目标为胸外按压机械的按压头。

12、在构建前馈补偿模块前，首先需要根据系统的结构特点，选择对应的模型结构，作为优选，本发明选择半严格反馈模型作为系统模型结构。作为优选，根据系统动力学模型建立所述前馈补偿模块，所述系统动力学模型选择半严格反馈模型。

13、作为优选，所述半严格反馈模型结构如下：

14、

15、其中，i＝1,2,3…n-1，其中n为对应系统中状态变量的总个数，xi为第i个系统状态变量，为xi对时间的求导，θi为第i个状态变量相关的未知常数，为t时刻第i个状态变量中，与第1～i个状态变量有关的已知模型特征的形函数，δi(xi,t)为t时刻xi中无法建模的系统非线性特征，δn(x1,…,xn,t)为t时刻xn中，与x1～xn有关的无法建模的系统非线性特征，σ(x1,…,xn)为控制输入对系统的影响，u为系统控制输入，θn为第n个状态变量相关的未知常数，为t时刻第n个状态变量中，与第1～n个状态变量有关的已知模型特征的形函数，y为系统输出，x1对应于控制目标的运动轨迹信息。

16、作为优选，所述前馈补偿模块结构如下：

17、

18、uf为前馈补偿控制输入，为控制目标期望轨迹中每一时刻的运动速度，为已知系统模型特征的形函数，为经过映射后的对于模型未知常数的估计值。

19、作为优选，前馈补偿模块可以使用半严格反馈模型描述模型特征。其中用充分光滑的形函数表示根据先验知识得到的已知系统模型特征，用未知的常数矩阵表示系统的未知线性特征，用未知的非线性方程表示所有无法建模的系统非线性。

20、作为优选，所述系统控制输入为前馈补偿控制输入和鲁棒反馈控制输入之和。

21、作为优选，针对较复杂的系统，在自适应模块中可以使用递推控制律建立前馈补偿模型的自适应变化律。作为优选，经过自适应反馈得到的控制参数可以通过光滑投影对参数范围进行约束，防止系统发散。

22、进一步的，在自适应模块中，利用参数自适应律实现系统未知常数的更新，通过光滑投影对系统未知常数更新值进行约束，最终获得前馈补偿模块的系统未知常数的估计值。

23、作为进一步优选，在自适应模块中，参数自适应律如下：

24、的自适应律

25、的自适应律

26、的自适应律

27、其中，w1,wi,wn为大于0的常数，为已知系统模型特征的形函数，e1,ei,en为系统控制误差；

28、光滑投影采用如下映射关系：

29、

30、其中，γ>0为一个常数对角矩阵，τ为的自适应律，为对时间的求导，为经过映射后的对于模型未知常数的估计值。

31、在自适应模块和前馈补偿模块中，使用递推控制律建立对应自适应控制律；在鲁棒反馈模块中，使用递推控制律建立鲁棒反馈模块中的鲁棒控制律。作为进一步优选，鲁棒反馈模块可以使用线性稳定反馈与非线性鲁棒反馈结合的方法确定反馈控制量。

32、作为优选，所述自适应控制律为：

33、

34、其中，为第n个状态变量相关的未知常数的估计的转置，为t时刻第n个状态变量中与第1～n个状态变量x1～xn有关的已知模型特征的形函数，为中的可计算部分,αn-1为递推控制律中得到的对xn-1的控制律，为αn-1对时间的求导；

35、所述递推控制律为：

36、

37、

38、其中，α1为递推控制律中得到的对x1的控制律，为与第1个状态变量x1相关的未知常数的估计的转置，x1一般对应于控制目标的运动轨迹信息(比如以胸外按压机械为例，x1一般对应于的按压头的运动轨迹信息)，为t时刻第1个状态变量中与第1个状态变量x1有关的已知模型特征的形函数，为控制目标期望轨迹中每一时刻的运动速度，θ1min为与第1个状态变量x1相关的未知常数的最小值，k1>0为常数，γ>0为一个常数对角矩阵，是一个正定的常数对角矩阵,ε1为一个正常数，θ1max与第1个状态变量x1相关的未知常数的最大值，δ为环境非线性干扰的最大值，即|δ|≤δ，e1为第一个状态变量x1，即执行器运动轨迹与期望运动轨迹的误差；αi为递推控制律中得到的对xi的控制律，为与第i状态变量xi相关的未知常数的估计的转置，为t时刻第i个状态变量中与第i个状态变量xi有关的已知模型特征的形函数，为递推控制律中得到的对xi-1的控制律中可计算的部分，θimin为与第i个状态变量xi相关的未知常数的最小值，ki>0为常数，γ>0为一个常数对角矩阵，是一个正定的常数对角矩阵,εi为一个正常数，θimax与第i个状态变量xi相关的未知常数的最大值，ei为第i个状态变量xi与其期望运动轨迹的误差。

39、所述鲁棒控制律为：

40、us＝us1+us2

41、us1＝-kns1en

42、

43、其中：us1为线性反馈部分的控制量；us2为非线性鲁棒反馈部分的控制量；

44、θnmin为第n个系统状态变量相关的未知常数的最小值，kn为正常数，cθj＝diag{cθjl,l＝1,…,n-1},j＝2,…,n和需要满足的条件如下式所示：

45、

46、本发明的控制方法可以对电机驱动机械的执行器运动轨迹进行控制，包括运动距离、运动频率等；利用自适应模块不断调整前馈补偿控制参数，使其准确描述不同工作条件的特征，降低系统跟踪误差；利用鲁棒反馈模块得到反馈控制输入，抑制外界干扰，保证系统的瞬态响应性能。

47、综合而言，本发明的电机驱动机械的自适应鲁棒反馈运动控制方法结合了自适应控制和鲁棒控制的技术，通过根据自适应调整控制参数和抑制外界干扰，提供稳定且准确的运动，从而改善运动控制的效果。