一种液压清舱机器人指定时间预设性能控制方法

本发明涉及机电伺服控制，具体涉及一种液压清舱机器人指定时间预设性能控制方法。

背景技术：

1、干散货港口清舱作业是卸船流程中的重要环节，传统人工或工程机械辅助清舱方式存在作业效率低、工作环境恶劣和安全风险较高等问题。清舱机器人具有运动灵活、环境适应性强和便于实现无人化作业等特点，能够有效提升港口卸船效率和作业安全性。六自由度液压清舱机器人在狭窄、非结构化船舱环境中作业时，需要多个关节协调运动，其控制性能容易受到负载变化、关节摩擦、液压驱动非线性、模型参数不确定性及外部扰动等因素影响。因此，清舱机器人关节控制系统不仅需要具备较高的轨迹跟踪精度和鲁棒性，还应满足作业节拍对误差收敛时间、瞬态超调和稳态精度的要求。

2、现有机器人关节控制方法主要关注系统的渐近稳定或有限时间稳定，难以在控制器设计阶段直接指定跟踪误差的收敛时间和瞬态变化范围。预设性能控制方法能够通过性能边界约束跟踪误差的超调量和稳态精度，但传统性能函数通常只能保证误差渐近收敛，难以满足清舱作业对指定时间收敛的要求。此外，反步控制在处理液压系统高阶非线性模型时需要对虚拟控制量进行求导，容易造成控制器结构复杂和微分运算量增加；系统中的模型不确定性和复合扰动也会进一步降低轨迹跟踪性能。因此，亟需一种能够预先设定误差收敛时间和性能边界，同时降低虚拟控制量求导复杂度，并有效补偿系统不确定性与外部扰动的六自由度液压清舱机器人关节控制方法。

3、上述控制方法的设计难点在于：六自由度清舱机器人机械动力学与阀控液压系统之间存在强耦合，负载变化、关节摩擦、压力流量非线性及外部扰动共同形成难以准确建模的集总不确定性；指定时间误差边界的快速收缩又会提高控制器的瞬态响应要求；同时，反步递推中的虚拟控制量求导会进一步增加控制器的实现复杂度。因此，需要在满足指定时间性能约束的同时，兼顾控制器的可实现性、连续性与抗扰能力。

技术实现思路

1、本发明的目的在于提供一种液压清舱机器人指定时间预设性能控制方法，既采用指定时间预设性能函数对关节跟踪误差的收敛时间、瞬态超调和稳态精度进行预先设定，又融合指令滤波、反步控制和误差符号积分鲁棒控制思想，利用指令滤波器获得虚拟控制量的滤波值及其导数，避免对复杂虚拟控制量直接进行解析求导，并通过rise鲁棒项补偿模型不确定性和外部扰动。该方法能够保证关节跟踪误差始终处于预设性能边界内，并使性能边界在预先指定时间收缩至设定范围，实现清舱机器人关节轨迹的高精度鲁棒跟踪。

2、本发明针对六自由度液压清舱机器人关节跟踪过程中指定时间性能约束、反步控制微分复杂度与液压系统集总不确定性同时存在的问题，提出将指定时间预设性能函数、二阶指令滤波器和rise鲁棒补偿进行协同设计的控制方法，使误差性能约束、虚拟控制量平滑处理与不确定性补偿在同一控制框架下实现。

3、实现本发明目的的技术解决方案为：一种液压清舱机器人指定时间预设性能控制方法，包括以下步骤：

4、步骤1、建立六自由度液压清舱机器人的机械系统动力学模型和液压驱动系统模型，转入步骤2。

5、步骤2、基于六自由度液压清舱机器人的机械系统动力学模型和液压驱动系统模型，构建指定时间预设性能函数的清舱机器人关节跟踪控制器，转入步骤3。

6、步骤3、运用李雅普诺夫稳定性理论对所设计控制器进行稳定性证明，得到关节跟踪误差在指定时间内满足预设性能要求且渐进稳定的结果。

7、本发明与现有技术相比，其显著优点是：（1）采用指定时间预设性能函数对关节跟踪误差进行约束，可在控制器设计阶段预先设定误差收敛时间、最大超调量和稳态精度，使跟踪误差在指定时间内进入设定范围；（2）引入指令滤波器获得虚拟控制量的滤波值及其导数，避免直接对复杂虚拟控制量进行解析求导，降低反步控制器的计算复杂度，并使虚拟控制指令更加平滑；（3）采用rise鲁棒项对模型不确定性、负载变化及外部扰动形成的集总不确定项进行补偿，提高六自由度液压清舱机器人关节轨迹跟踪的精度与鲁棒性。

1.一种液压清舱机器人指定时间预设性能控制方法，其特征在于，包括以下步骤：

2.根据权利要求1所述的液压清舱机器人指定时间预设性能控制方法，其特征在于，步骤1中，建立六自由度液压清舱机器人的机械系统动力学模型和液压驱动系统模型，具体如下：

3.根据权利要求2所述的液压清舱机器人指定时间预设性能控制方法，其特征在于，步骤1-1中，根据六自由度清舱机器人的机械结构、液压缸以及比例阀的动力学特性，得到六自由度液压清舱机器人的机械系统动力学模型和液压驱动系统模型，具体如下：

4.根据权利要求3所述的液压清舱机器人指定时间预设性能控制方法，其特征在于，步骤1-2、为便于设计控制器，定义状态变量，将建立的机械系统动力学模型和液压驱动系统模型转换为状态空间方程，具体如下：

5.根据权利要求4所述的液压清舱机器人指定时间预设性能控制方法，其特征在于，步骤1中，为便于设计控制器，作如下假设：

6.根据权利要求5所述的液压清舱机器人指定时间预设性能控制方法，其特征在于，步骤2中，基于六自由度液压清舱机器人的机械系统动力学模型和液压驱动系统模型，构建指定时间预设性能函数的清舱机器人关节跟踪控制器，具体如下：

7.根据权利要求6所述的液压清舱机器人指定时间预设性能控制方法，其特征在于，步骤2-1、设计指定时间预设性能函数，并对跟踪误差进行转换，得到转换误差，具体如下：

8.根据权利要求7所述的液压清舱机器人指定时间预设性能控制方法，其特征在于，步骤2-2中，根据清舱机器人的机械系统动力学模型和液压驱动系统模型与转换误差，设计指定时间预设性能跟踪控制器，具体如下：

9.根据权利要求8所述的液压清舱机器人指定时间预设性能控制方法，其特征在于，运用李雅普诺夫稳定性理论对所设计控制器进行稳定性证明，得到关节跟踪误差在指定时间内满足预设性能要求且渐进稳定的结果，具体如下：