一种基于动态事件触发的机械臂预定时间滑模控制方法

本发明属于机械臂运动控制，具体涉及一种基于动态事件触发的机械臂预定时间滑模控制方法。

背景技术：

1、机械臂作为现代工业自动化系统的重要组成部分，凭借其高灵活性、高重复精度以及可编程性，在智能制造、精密装配、物流分拣等领域得到了广泛应用。随着工业生产向高精度、高效率和智能化方向发展，对机械臂控制系统的动态响应性能、抗干扰能力以及资源利用效率提出了更高要求。

2、然而，在实际运行过程中，机械臂系统不可避免地受到参数摄动、关节摩擦及外部扰动等不确定因素的影响，这些因素会导致系统建模误差增大，从而降低轨迹跟踪精度，甚至影响系统稳定性。此外，在网络化控制架构下，通信带宽受限与计算资源约束问题日益突出，频繁的控制信号更新将增加系统负担，降低整体运行效率。

3、传统控制方法如比例积分微分控制虽结构简单，但难以应对复杂非线性与不确定性问题；滑模控制因其良好的鲁棒性被广泛应用，但存在收敛速度有限及抖振问题。近年来，预定时间控制方法能够在预先设定的时间内实现系统收敛，为时间性能可控提供了有效途径，但现有方法多未充分考虑扰动补偿精度及通信资源优化问题。

4、同时，传统事件触发控制多采用固定阈值策略，难以兼顾不同运行阶段的控制性能与资源利用效率，易导致触发频率过高或过低。因此，如何在保证机械臂轨迹跟踪性能与系统稳定性的前提下，实现扰动精确补偿与通信资源高效利用，成为亟待解决的关键问题。

技术实现思路

1、针对现有技术中存在的上述问题，本发明的目的在于提供一种基于动态事件触发的机械臂预定时间滑模控制方法，使机械臂系统能够在预定时间内实现高精度轨迹跟踪，同时有效抑制不确定性扰动并降低通信资源消耗。

2、本发明提供如下技术方案：一种基于动态事件触发的机械臂预定时间滑模控制方法，包括以下步骤：

3、1）建立包括参数摄动、关节摩擦和外部扰动的机械臂系统动力学模型，并基于机械臂系统动力学模型构建跟踪误差系统模型；所述跟踪误差系统模型包含位置跟踪误差和速度跟踪误差；

4、2）设计预设时间扰动观测器，对系统中的集总扰动进行实时估计与补偿；

5、3）基于步骤1）中的位置跟踪误差和速度跟踪误差，构建预定时间滑模面，并基于所述滑模面设计预定时间滑模控制器；

6、4）引入动态事件触发机制，对控制信号的更新进行调度，以降低通信资源消耗。

7、进一步地，所述步骤1）的具体过程如下：

8、步骤1.1、建立多关节机械臂系统的动力学模型，所述动力学模型考虑参数摄动的影响，其包含惯性矩阵、离心力和科利奥矩阵、重力向量、摩擦项及外部扰动项；

9、步骤1.2、将所述参数摄动、摩擦项及外部扰动合并为集总不确定性干扰，基于动力学模型和惯性矩阵的非奇异特性，构建包含集总不确定性干扰的跟踪误差系统模型；

10、步骤1.3、定义各机械臂关节的期望位置信号和期望速度信号，计算机械臂关节的实际位置、实际速度与对应期望值之间的偏差，分别得到位置跟踪误差和速度跟踪误差，并基于步骤1.2中的模型构建包含集总不确定性干扰的跟踪误差系统模型。

11、进一步地，所述步骤2）的具体过程如下：

12、步骤2.1、构建预设时间扰动观测器，对系统中的集总扰动进行估计；

13、步骤2.2、设计观测器时变增益和集总扰动导数幅值上界的参数，使扰动估计误差在预设时间内收敛；

14、步骤2.3、利用预设时间扰动观测器输出的集总扰动估计值，对控制输入中的不确定性项进行补偿，以提高系统抗干扰能力。

15、进一步地，所述步骤3）的具体过程如下：

16、步骤3.1、基于步骤1）中的位置跟踪误差和速度跟踪误差，构建预定时间滑模面，对预定时间滑模面进行求导，进而设计了等效滑模控制器；

17、步骤3.2、针对机械臂系统中存在的集总不确定性干扰，设计基于步骤2）中预设时间扰动观测器的辅助控制器，用于对集总不确定性干扰进行补偿；

18、步骤3.3、基于等效滑模控制器与辅助控制器，构造得到预定时间滑模控制器；所述预定时间滑模控制器能够使机械臂系统在预定时间内实现对期望轨迹的精确跟踪，并对参数摄动、关节摩擦和外部扰动具有鲁棒性。

19、进一步地，所述步骤3.2中，辅助控制器的控制律包括基于滑模变量的非线性项及预设时间扰动观测器对集总扰动的补偿项，且其参数配置保证系统状态在预定时间内到达滑模面。

20、进一步地，所述步骤3.3中，预定时间滑模控制器通过等效滑模控制器与辅助控制器叠加构成，且预定时间滑模控制器的参数配置保证跟踪误差系统的跟踪误差变量能够在预定时间内收敛到零。

21、进一步地，所述步骤4中，动态事件触发机制通过构造触发误差与预定时间滑模控制器时刻采样值之间的关系函数建立触发条件，并引入随时间变化的自适应调节参数，所述参数依据滑模变量的幅值和时间尺度函数动态更新，以调节触发阈值。

22、进一步地，所述预定时间滑模控制器实现闭环系统在预定时间内稳定，且所述动态事件触发机制确保触发间隔存在正下界，以避免zeno现象；所述预定时间滑模控制器的收敛过程具体如下：

23、滑模到达阶段：定义以滑模变量为状态变量的第一lyapunov函数，通过结合预定时间滑模控制器的表达式，驱动滑模变量在预设的第一预定时间内收敛至滑模面邻域；

24、滑模滑动阶段：在系统状态到达滑模面后，定义以跟踪误差为状态变量的第二lyapunov函数，驱动位置跟踪误差和速度跟踪误差在预设的第二预定时间内收敛；

25、其中，所述跟踪误差系统达到稳定的总时间为第一预定时间与第二预定时间之和，且所述总时间能够在系统设计时预先设定。

26、进一步地，所述动态事件触发机制引入自适应调节参数，所述自适应调节参数依据滑模变量的幅值进行动态更新；当机械臂系统位置跟踪误差变量大于设定的阈值时（例如），所述自适应调节参数驱动触发机制提高控制信号更新频率，当位置跟踪误差变量小于设定的阈值时（例如），所述自适应调节参数驱动触发机制降低控制信号更新频率，且触发间隔始终存在正下界，以减少通信资源消耗并避免zeno现象。

27、通过采用上述技术，与现有技术相比，本发明的有益效果如下：

28、本发明方法应用于机械臂系统，该方法通过引入预设时间扰动观测器，实现对集总不确定性扰动的快速精确估计，提升系统抗干扰能力；通过构建预定时间滑模控制器，使机械臂系统能够在预定时间内实现快速收敛，提高动态响应性能与轨迹跟踪精度；同时引入了具有自适应调节能力的动态事件触发机制，实现控制信号的按需更新，并可根据系统运行状态动态调整触发频率，在保证控制性能的前提下有效降低通信资源占用。通过这种控制方法，机械臂能够在通信资源受限的网络环境中，依旧保证高精度作业能力和强鲁棒性，以完成各种预定任务，推动机械臂技术在更广泛领域的深入应用与发展。

1.一种基于动态事件触发的机械臂预定时间滑模控制方法，其特征在于，包括以下步骤：

2.根据权利要求1所述的一种基于动态事件触发的机械臂预定时间滑模控制方法，其特征在于，所述步骤1）的具体过程如下：

3.根据权利要求1所述的一种基于动态事件触发的机械臂预定时间滑模控制方法，其特征在于，所述步骤2）的具体过程如下：

4.根据权利要求1所述的一种基于动态事件触发的机械臂预定时间滑模控制方法，其特征在于，所述步骤3）的具体过程如下：

5.根据权利要求4所述的一种基于动态事件触发的机械臂预定时间滑模控制方法，其特征在于，所述步骤3.2中，辅助控制器的控制律包括基于滑模变量的非线性项及预设时间扰动观测器对集总扰动的补偿项，且其参数配置保证系统状态在预定时间内到达滑模面。

6.根据权利要求4所述的一种基于动态事件触发的机械臂预定时间滑模控制方法，其特征在于，所述步骤3.3中，预定时间滑模控制器通过等效滑模控制器与辅助控制器叠加构成，且预定时间滑模控制器的参数配置保证跟踪误差系统的跟踪误差变量能够在预定时间内收敛到零。

7.根据权利要求1所述的一种基于动态事件触发的机械臂预定时间滑模控制方法，其特征在于，所述步骤4中，动态事件触发机制通过构造触发误差与预定时间滑模控制器时刻采样值之间的关系函数建立触发条件，并引入随时间变化的自适应调节参数，所述参数依据滑模变量的幅值和时间尺度函数动态更新，以调节触发阈值。

8.根据权利要求4所述的一种基于动态事件触发的机械臂预定时间滑模控制方法，其特征在于，所述预定时间滑模控制器实现闭环系统在预定时间内稳定，且所述动态事件触发机制确保触发间隔存在正下界，以避免zeno现象；所述预定时间滑模控制器的收敛过程具体如下：

9.根据权利要求7所述的一种基于动态事件触发的机械臂预定时间滑模控制方法，其特征在于，所述动态事件触发机制引入自适应调节参数，所述自适应调节参数依据滑模变量的幅值进行动态更新；当机械臂系统位置跟踪误差变量大于设定的阈值时，所述自适应调节参数驱动触发机制提高控制信号更新频率，当位置跟踪误差变量小于设定的阈值时，所述自适应调节参数驱动触发机制降低控制信号更新频率，且触发间隔始终存在正下界，以减少通信资源消耗并避免zeno现象。