单连杆机械臂系统的迭代学习控制方法、设备及介质

1.本文件涉及机械臂控制技术领域，尤其涉及一种单连杆机械臂系统的迭代学习控制方法、设备及介质。


背景技术：

2.随着智能制造、人工智能等新技术的快速发展，工业互联网中的控制系统成为了近年来研究的热点。机械臂是在机器人技术领域得到最广泛实际应用的自动化机械装置，在工业制造、医学治疗以及太空探索等领域有着广泛的应用。机械臂常见的工作模式是在相同的运行区间内不断重复操作，例如：搬运、切割等。在现实生产过程中，不可避免地发生一些突发事件，如产品掉落、设备故障等。为了保证人员和设备地安全，此时应该立即停止生产，由此导致智能生产系统的运行区间随机变化。
3.随着工业生产过程多样性和复杂性的提升，具有强耦合性、强非线性和不确定性的动态系统不断增多，其精确的数学模型越来越难以获得，并且由于系统不确定性和外部干扰的存在，极易令原有的数学模型失效，从而使得基于模型的传统控制方法无法完成高速、精确的跟踪任务。相比于传统控制方法，迭代学习控制有着许多优点，例如：对受控系统的先验知识要求比较低，它能够迭代的确定控制输入，从而在固定的时间间隔内跟踪给定的参考信号。但迭代学习控制仍然存在许多问题。例如：大部分已提出的迭代学习控制方法都要求学习的轨迹在迭代域中必须严格相同，如果控制目标或者任务规范发生变化，无论这个变化有多么小，受控系统都必须重新学习。而在实际的项目中，不同的迭代中，由于控制目标或者任务规范发生变化，导致参考轨迹发生变化，参考轨迹不再是迭代域中的不变集时，传统的迭代学习控制技术将不起作用。因此，需要一种针对机械臂的变期望轨迹的运行区间随机变化的迭代学习控制方法，有效克服当参考轨迹发生迭代变化和运行区间随机变化时，机械臂的控制问题。


技术实现要素：

4.本说明书一个或多个实施例提供了一种单连杆机械臂系统的迭代学习控制方法，包括：
5.s1.将单连杆机械臂系统建模为线性离散系统，设置线性离散系统的离散采样周期；
6.s2.根据所述离散采样周期对获取的机械臂的期望输出轨迹进行离散采样，得到期望输出序列；
7.s3.根据所述离散采样周期对获取的控制机械臂的初始控制输入信号进行离散化处理，得到实际控制输入信号；
8.s4.根据机械臂的实际控制输入信号，得到机械臂的实际输出轨迹，对所述实际输出轨迹根据所述离散采样周期进行离散采样，得到实际输出序列；
9.s5.根据实际输出序列与期望输出序列得到误差序列，根据所述误差序列计算误
差值，判断所述误差值是否符合预设收敛条件，若符合，则停止迭代；若不符合，则继续执行s6；
10.s6.根据所述收敛条件计算迭代学习控制增益，根据所述误差序列、迭代学习控制增益和迭代学习控制律，更新下一次迭代时的控制输入信号，重复执行s4-s6，直至所述误差值符合预设收敛条件，停止迭代。
11.本说明书一个或多个实施例提供了一种电子设备，包括：
12.处理器；以及被安排成存储计算机可执行指令的存储器，所述计算机可执行指令在被执行时使所述处理器实现上述单连杆机械臂的迭代学习控制方法的步骤。
13.本说明书一个或多个实施例提供了一种存储介质，用于存储计算机可执行指令，所述计算机可执行指令在被执行时实现上述单连杆机械臂的迭代学习控制方法的步骤。
14.本发明的有益效果如下：
15.本发明在期望轨迹迭代变化和运行区间随机变化的情况下，通过迭代学习控制方法对单连杆机械臂进行控制，可以有效克服当参考轨迹发生迭代变化和运行区间随机变化时，机械臂的控制问题；本发明可应用于期望轨迹迭代变化时，完成其它轨迹跟踪任务的系统，能够提高系统的工作效率，减少系统的运行时间，从而达到减少能源的消耗，降低生产的成本。
16.上述说明仅是本发明技术方案的概述，为了能够更清楚了解本发明的技术手段，而可依照说明书的内容予以实施，并且为了让本发明的上述和其它目的、特征和优点能够更明显易懂，以下特举本发明的具体实施方式。
附图说明
17.为了更清楚地说明本说明书一个或多个实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本说明书中记载的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
18.图1为本说明书一个或多个实施例提供的一种单连杆机械臂系统的迭代学习控制方法的流程图；
19.图2为本说明书一个或多个实施例提供的一种单连杆机械臂系统的迭代学习控制方法的具体流程图；
20.图3为本说明书一个或多个实施例在一例单连杆机械臂模型下的跟踪误差指标；
21.图4为本说明书一个或多个实施例在一例单连杆机械臂模型下，迭代次数为1、44、80次时的期望轨迹；
22.图5为本说明书一个或多个实施例在一例单连杆机械臂模型下，迭代次数为10、40次时实际输出轨迹跟踪期望轨迹的图；
23.图6为本说明书一个或多个实施例在一例单连杆机械臂模型下，实际输出轨迹的运行区间随机取值图；
24.图7为本说明书一个或多个实施例提供的一种电子设备的结构示意图。
具体实施方式
25.为了使本技术领域的人员更好地理解本说明书一个或多个实施例中的技术方案，下面将结合本说明书一个或多个实施例中的附图，对本说明书一个或多个实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本说明书的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本说明书一个或多个实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本文件的保护范围。
26.方法实施例
27.根据本发明实施例，提供了一种单连杆机械臂系统的迭代学习控制方法，图1是本发明实施例的单连杆机械臂系统的迭代学习控制方法的流程图，如图1所示，根据本发明实施例的单连杆机械臂系统的迭代学习控制方法具体包括：
28.s1.将单连杆机械臂系统建模为线性离散系统，设置线性离散系统的离散采样周期。
29.单连杆机械臂系统的模型表示为：
[0030][0031]
ξi＝(m 2m)gl[θ
i-sin(θi)]/2j；
[0032]
j＝ml2 (1/3)ml2；
[0033]
其中，表示的是机械臂的加速度，表示的是机械臂的速度，θi表示的是机械臂的角位移，ξi表示的是由于线性近似引起的模型失配误差，j表示的是关节的惯性矩，ui表示的是控制输入，m表示的是机械臂的质量，m表示的是机械臂的尖端载荷，l表示的是机械臂的长度，f表示的是阻尼系数，g表示的是重力加速度。
[0034]
将上述单连杆机械臂系统建模为由状态方程和输出方程组成的非线性连续的线性离散系统，可用如下式子表示：
[0035][0036]
其中：其中：其中：
[0037]
式中，l表示的是迭代次数。
[0038]
s2.根据所述离散采样周期对获取的机械臂的期望输出轨迹进行离散采样，得到期望输出序列。
[0039]
设置非线性连续的单连杆机械臂系统的采样周期t，采样后的离散序列为对应的离散时间序列为
[0040]
获取单连杆机械臂跟踪的迭代变化的期望轨迹y
d,l
(t)，根据采样周期t对迭代变化的期望轨迹y
d,l
(t)进行离散采样，得到迭代变化的期望轨迹序列定义该序列为y
d,l
(k)；
[0041]
所述机械臂的期望输出轨迹y
d,l
(t)的运行区间为实际的输出轨迹y
i,l
(t)的运行区间为[0,n
l
]；n
l
在每一次迭代时随机变化，且
[0042]
s3.根据所述离散采样周期对获取的控制机械臂的初始控制输入信号进行离散化处理，得到实际控制输入信号。
[0043]
获取机械臂的初始控制输入信号u
i,l
(t)，对其离散采样后，定义该序列为将初始控制输入信号应用到受控系统。
[0044]
s4.根据机械臂的实际控制输入信号，得到机械臂的实际输出轨迹，对所述实际输出轨迹根据所述离散采样周期进行离散采样，得到实际输出序列。
[0045]
根据迭代学习控制律获取受控系统的实际控制输入信号u
i,l
(t)，并将其输入到受控系统中得到实际的输出轨迹y
i,l
(t)；
[0046]
根据设置的采样周期，对期望轨迹y
i,l
(t)进行离散采样，得到实际输出轨迹序列定义该序列为y
i,l
(k)。
[0047]
s5.根据实际输出序列与期望输出序列得到误差序列，根据所述误差序列计算误差值，判断所述误差值是否符合预设收敛条件，若符合，则停止迭代；若不符合，则继续执行s6。
[0048]
根据实际输出序列与期望输出序列得到误差序列具体为：
[0049]
构造修正的实际输出轨迹序列函数，如下所示：
[0050][0051]
根据修正后的实际输出轨迹序列和迭代变化的期望轨迹序列y
d,l
(k)，得到修正后的跟踪误差序列：
[0052][0053]
s6.根据所述收敛条件计算迭代学习控制增益，根据所述误差序列、迭代学习控制增益和迭代学习控制律，更新下一次迭代时的控制输入信号，重复执行s4-s6，直至所述误差值符合预设收敛条件，停止迭代。
[0054]
收敛条件具体如下所示：
[0055]
‖i-c(k 1)b(k)l(k 1)‖≤γ《1；
[0056]
其中，l(k 1)为迭代学习控制增益。
[0057]
图2为本说明书一个或多个实施例提供的一种单连杆机械臂系统的迭代学习控制方法的具体流程图，如图2所示，首先，步骤1是对机械臂设置离散采样周期。步骤2是获取机器臂的期望输出轨迹，并对其进行离散采样。步骤3是获取控制机械臂的初始控制输入信号，并对其进行离散化采样处理。步骤4是获取机械臂的实际控制输入并得到机械臂的实际输出速度，对其进行采样。步骤5是计算根据步骤4的采样后的输出序列与期望轨迹序列之间的误差序列。步骤6需要判断误差是否符合收敛条件，若符合，则停止迭代；若不符合，则
进入步骤7，根据收敛条件来计算迭代学习控制增益。最后步骤8根据误差序列、迭代学习控制增益和迭代学习控制律，更新下一次迭代时的控制输入电压，重复执行步骤4-8。
[0058]
迭代学习控制律根据所述跟踪误差序列和迭代学习控制增益l(k 1)进行计算，具体如下：
[0059][0060]
通过图3跟踪误差指标的趋势图可以看出跟踪误差指标在有限的迭代次数内达到有界，当迭代次数为30次时，跟踪误差指标已基本处于有界状态，即单连杆机械臂的输出轨迹可以有效地跟踪迭代变化的期望轨迹，且误差较小。由于本发明需要跟踪的期望轨迹是迭代变化的，图4表示的是当迭代次数为1、44、80次时的期望轨迹，即每一次迭代的期望轨迹都是不同的。图5表示的则是当迭代次数为10和40次时，单连杆机械臂的实际输出轨迹跟踪相同迭代次数时的期望轨迹的图。图6则表示的是单连杆机械臂的实际输出轨迹的运行时间。
[0061]
图3、图4、图5和图6使用的单连杆机械臂的线性离散模型如下所示：
[0062][0063]
其中：其中：其中：
[0064]
期望轨迹为：
[0065][0066]
其中，∈表示的是一个随迭代次数的变化而变化的量，从而使得整个期望轨迹是迭代变化的。θ
i,l
(t)表示的是机械臂的角位移，表示的是机械臂的速度，在实际的单连杆机械臂中需要对其离散采样后才可使用。设定每一次迭代时的初始时刻，θ
i,l
(t)＝0m，g＝9.8m/s2，表示的是重力加速度；f＝3kg
·
m2/s，表示的是阻尼系数，m＝1kg，表示的是机械臂的质量，m＝2kg，表示的是机械臂的尖端载荷，l＝0.5m，表示的是机械臂的长度，j＝ml2 (1/3)ml2，表示的是关节的惯性矩，ξi＝(m 2m)gl[θ
i-sin(θi)]/2j，表示的是由于线性近似引起的模型失配误差。期望轨迹的运行区间t＝4s，采样周期t＝0.1s，根据收敛条件‖i-c(k 1)b(k)l(k 1)‖≤γ《1，令迭代学习控制增益l(k 1)＝0.1
·
e-(k 1)/100
，跟踪误差指标
[0067]
本发明的有益效果如下：
[0068]
本发明在期望轨迹迭代变化和运行区间随机变化的情况下，通过迭代学习控制方法对单连杆机械臂进行控制，可以有效克服当参考轨迹发生迭代变化和运行区间随机变化时，机械臂的控制问题；本发明可应用于期望轨迹迭代变化时，完成其它轨迹跟踪任务的系统，能够提高系统的工作效率，减少系统的运行时间，从而达到减少能源的消耗，降低生产
的成本。
[0069]
装置实施例一
[0070]
本发明实施例提供一种电子设备，如图7所示，包括：存储器70、处理器72及存储在所述存储器70上并可在所述处理器72上运行的计算机程序，所述计算机程序被所述处理器72执行时实现如下方法步骤：
[0071]
s1.将单连杆机械臂系统建模为线性离散系统，设置线性离散系统的离散采样周期；
[0072]
s2.根据所述离散采样周期对获取的机械臂的期望输出轨迹进行离散采样，得到期望输出序列；
[0073]
s3.根据所述离散采样周期对获取的控制机械臂的初始控制输入信号进行离散化处理，得到实际控制输入信号；
[0074]
s4.根据机械臂的实际控制输入信号，得到机械臂的实际输出轨迹，对所述实际输出轨迹根据所述离散采样周期进行离散采样，得到实际输出序列；
[0075]
s5.根据实际输出序列与期望输出序列得到误差序列，根据所述误差序列计算误差值，判断所述误差值是否符合预设收敛条件，若符合，则停止迭代；若不符合，则继续执行s6；
[0076]
s6.根据所述收敛条件计算迭代学习控制增益，根据所述误差序列、迭代学习控制增益和迭代学习控制律，更新下一次迭代时的控制输入信号，重复执行s4-s6，直至所述误差值符合预设收敛条件，停止迭代。
[0077]
装置实施例二
[0078]
本发明实施例提供一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质上存储有信息传输的实现程序，所述程序被处理器72执行时实现如下方法步骤：
[0079]
s1.将单连杆机械臂系统建模为线性离散系统，设置线性离散系统的离散采样周期；
[0080]
s2.根据所述离散采样周期对获取的机械臂的期望输出轨迹进行离散采样，得到期望输出序列；
[0081]
s3.根据所述离散采样周期对获取的控制机械臂的初始控制输入信号进行离散化处理，得到实际控制输入信号；
[0082]
s4.根据机械臂的实际控制输入信号，得到机械臂的实际输出轨迹，对所述实际输出轨迹根据所述离散采样周期进行离散采样，得到实际输出序列；
[0083]
s5.根据实际输出序列与期望输出序列得到误差序列，根据所述误差序列计算误差值，判断所述误差值是否符合预设收敛条件，若符合，则停止迭代；若不符合，则继续执行s6；
[0084]
s6.根据所述收敛条件计算迭代学习控制增益，根据所述误差序列、迭代学习控制增益和迭代学习控制律，更新下一次迭代时的控制输入信号，重复执行s4-s6，直至所述误差值符合预设收敛条件，停止迭代。
[0085]
本实施例所述计算机可读存储介质包括但不限于为：rom、ram、磁盘或光盘等。
[0086]
最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依
然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。