基于观测器的自适应控制机械手(英)

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毕业设计基于干扰观测器的PID控制设计

毕业设计基于干扰观测器的PID控制设计

邯郸学院本科毕业论文(设计)题目基于干扰观测器的PID控制设计专业电子信息工程邯郸学院信息工程学院郑重声明本人的毕业设计是在指导教师王洁丽的指导下独立撰写完成的。

如有剽窃、抄袭、造假等违反学术道德、学术规范和侵权的行为,本人愿意承担由此产生的各种后果,直至法律责任,并愿意通过网络接受公众的监督。

特此郑重声明。

毕业设计作者(签名):年月日摘要实际应用中的系统大多数都是非线性迟滞系统,因此不能满足系统对稳定性的要求,而在实际的过程控制中对系统的动态和静态特性都要求很高。

针对实际应用中系统的特点,采用基于干扰观测器的PID控制算法,在一个常规PID控制器的基础之上增加了干扰观测器,系统响应快,抗干扰性强,稳定性好,可以得到理想的控制效果。

因此,本文设计了基于干扰观测器的PID控制器。

其中首先介绍了PID的工作原理和干扰观测器的原理,进而对于未采用干扰观测器和采用干扰观测器的同一系统进行仿真,并将干扰观测器进行改进设计了低通滤波器,找出了低通滤波器的最佳串入位置,进而实现在在低频段使得实际对象响应与名义模型的响应一致,以实现对低频干扰的有效观测,从而保证较好的鲁棒性。

关键词干扰观测器 PID控制器低通滤波器鲁棒性外文页范例:Liu-Prof. /Lecturer )LiangYongguoAbstract The essence of corporate personality is the intrinsic reason why a corporate can be an independent person in the law sense .After the establishment .In the recent two or three century, corporate .SO ,it is meaningful to the essence of corporate personality . We want to make a systematic about it. At first ,we will talk about history of the juridical person On the base Of that ,we will .We can make the Corporate可修改可编辑目录1外文页 (11)1222.. 3 2.3.1 **************** (3)2.3.2 ***************** (3)2.3.3 ******************* (4)3 ****************** (4)3.1*********** (5)3.2 ********** (5)3.2.1 ************* (5)3.2.2 **************** (6)3.2.3 **************** (6)3.3 ********** (7)注释 (7)参考文献 (8)致谢 ................................................................. ..9附录 (10)基于干扰观测器的PID控制设计1引言1.1 PID控制的发展PID控制历史悠久,生命力旺盛,并以其独特的优点在工业控制中发挥巨大作用。

基于扩张状态观测器滤波的坦克炮控系统模型参考自适应控制

基于扩张状态观测器滤波的坦克炮控系统模型参考自适应控制

模型参考 自适应控制 方法。研 究 了坦克炮 控 系 统 的数 学模 型, 出 了基本 假 设, 计 了 E O 滤 波 给 设 S
器和模型参 考 自适应 控制器, 并证 明了其 稳定性, 最后通过仿 真验证 了该方法 的有效性。 仿真结果 表 明, 该方 法有 效地消 除 了系 统的未建模 动态及外 界扰 动 的影响, 强 了系统 的快速 性 解 决 了系 增 统的低速“ 行” 爬 问题, 改善 了系统的稳 态性 能, 为炮控 系统实 际设 计提供 了一个 可行 的解决 方案。
rt r n e a a tv o to o h y t m ih c n an r wla d v b a in p e o n ta v r o e e e c d p ie c n r lf rt e s s e wh c o t i sc a n i r to h n me a a e v lw
F NG in E L a g ,MA a — n .LIHu Xi j o u a
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tra d m o e ee e c d ptv o to lr we e d sg e e n d lr f r n e a a ie c n r l r e i n d t e s a i t s p o e e h t b l y wa r v d;s 1 t g wa i i ai s mu n

自适应控制的发展史

自适应控制的发展史

自适应控制的发展史所谓“自适应”一般是指系统按照环境的变化调整其自身使得其行为在新的或者已经改变了的环境下达到最好或者至少是容许的特性和功能。

自适应控制工作的优劣最终要由实际应用情况来评定,我们从应用角度出发,分三个阶段回顾自适应控制的发展过程。

第一个阶段——应用探索阶段从5O年代初开始到7O年代初,这是自适应控制的理论和方法产生兴起、应用探索的阶段。

在这个阶段,理论和方法尚不成熟,在应用上又遇到失败和挫折,即1957年利用MIT调节规律的美国某试验型飞行失事,对自适应控制产生了怀疑、动摇。

相当一部分研究人员退出这个领域。

然而也有一批有识志士不畏困难,在理论和应用方面坚持探索研究,满怀希望。

第二个阶段——应用开始阶段随着控制理论和计算机技术的发展,从7O年代初开始到8O年代初,自适应控制有了突破性进展,1973年Astrom的自校正调节在造纸厂的成功应用。

1974年吉尔巴特和温斯顿(Gilbart and Winston)在24in的光学跟踪望远镜中利用模型参考自适应控制把跟踪精度提高了五倍以上。

尽管当时应用项目不多,但确实证明自适应控制是有效的。

人们对自适应控制的兴趣又增加了,到8O年代开始自适应控制的应用,根据帕克斯等人的文章统计至少有58项,具有代表性意义的有6项。

第三个阶段——应用扩展阶段从7O年代末8O年代初到现在,自适应控制技术进一步推广应用。

在这个阶段有几个特点:1)1981年出现了Electromax-v自适应调节器,1983年在美国出现了商业性自适应控制软件包,向产品过渡。

从8O年代初开始到1988年5月世界已安装7万个自适应回路。

2)更实用性的新自适应方法和算法大量出现,如广义预测自适应控制,我国的全系数自适应控制方法、组合自校正器、自适应PID等。

3)促进了理论与实际相结合的研究,特别是Rohrs等提出具有未建模动态时自适应控制不稳定的问题,引起了人们的极大关注,从而促进了鲁棒自适应控制理论和应用的研究,并取得了很大进展。

一类基于高增益观测器的多输入多输出非线性时滞系统的自适应模糊动态面控制

一类基于高增益观测器的多输入多输出非线性时滞系统的自适应模糊动态面控制

馈 控制方案 。因为模糊逻辑系统 的逼近性 ,利用其对 未知函数进 行逼近 ,设计高增益非线性模糊观测器估计不可
测 状态 。并结合 自适 应 b c s p ig技术和动态面控制技术 ,提 出了 自适应模糊 b c s p ig 出反馈控制 策略。 akt pn e akt pn 输 e 证 明 了系统 中所有信号都一致有 界,此外 ,选择适 当的参数 能够保证跟踪 误差和观测误差收敛到很小 的一个领域
内 。通 过 仿 真 验 证 了所 提 控 制 策 略 的有 效 性 。
关键 词:非线性多输入 多输 出时滞 系统; 自适应模糊输 出反馈控制 ;动态 面技 术:高增益状态观测器
中图分类号:T 1 P3
文献标识码 :A
文章编号 :17 .2 1 0 20 .0 50 6 43 6 ( 1 )20 8 .9 2
c n r l c e wa r p s d o to s h me s p o o e .T e p o o e c n o s h m e u a t e t a al t e sg as r h r p s d o t l c e g a n e s h t l h i n l r r ae
smi lb l nfr yut tl b u d d(GU ) I d io esi byc oe aa t s r e — o al u i ml lmae o n e S UB .na dt nt ut l h snp rmee e g y o i y i h a ra
c s f l- p t n l—u u ( MO) o l e s ms ni l s ti u dmut o t tMI a o mui n a i p n ni a s t n r y e i mmes rbes ts n medly . aua l t e d i —e s a a t a

自适应控制的教材

自适应控制的教材

以下是一些关于自适应控制的教材推荐,旨在帮助学习者理解和应用自适应控制的原理和技术:
1.《自适应控制》- Astrom, Karl Johan and Wittenmark, Bjorn 这本经
典教材全面介绍了自适应控制的基本概念、方法和应用,包括参数估计、模型参考自适应控制、直接自适应控制等内容。

2.《自适应控制系统设计与故障诊断》- Naira Hovakimyan 和Chengyu
Cao 这本书介绍了自适应控制的理论和实践,重点关注了自适应控制在
故障诊断和容错控制方面的应用。

3.《自适应控制理论与应用》- 李吉均这本教材以自适应控制的基本理论
为基础,讲述了自适应控制的系统建模、参数估计、自适应观测器设计等内容,并结合案例进行了实际应用的讨论。

4.《自适应控制导论》- Petros Ioannou 和Barýs Fidan 这本教材提供了
自适应控制的全面介绍,包括模型参考和直接自适应控制、连续和离散自适应控制、稳定性分析以及实际应用案例等内容。

5.《自适应控制系统设计与实现》- Ioan Doré Landau, Rogelio Lozano
和Mohammed M'Saad 这本书详细介绍了自适应控制的不同方法和技术,包括模型参考和直接自适应控制、自适应观测器设计、鲁棒自适应控制等方面,并提供了一些实际案例进行说明。

这些教材涵盖了自适应控制的基本概念、理论和应用,并提供了丰富的案例和实践讨论,有助于学习者深入理解和应用自适应控制的知识。

建议根据个人的学术兴趣和学习需求选择适合的教材进行阅读。

基于自适应超螺旋滑模观测器的三相Vienna整流器无模型预测电流控制

基于自适应超螺旋滑模观测器的三相Vienna整流器无模型预测电流控制

基于自适应超螺旋滑模观测器的三相Vienna整流器无模型预测电流控制汪凤翔;杨奥;于新红;张祯滨;王高林【期刊名称】《电工技术学报》【年(卷),期】2024(39)6【摘要】三相Vienna整流器具有不需要考虑开关死区、可靠性高等优点,但参数易受外部扰动影响而导致控制性能下降。

针对这些问题,该文提出一种基于自适应超螺旋滑模观测器的无模型预测电流控制策略(ASTSMO-MFPCC)。

首先,通过分析三相Vienna整流器参数失配数学模型,构建不依赖系统物理参数的超局部模型。

其次,设计超螺旋滑模观测器估计超局部模型中的动态部分,有效抑制系统扰动影响。

同时,设计自适应增益,动态调整超螺旋滑模观测器参数,解决增益选择难题。

最后,构建离散化预测模型和成本函数,实现无模型预测电流控制算法。

仿真与实验结果表明,所提策略具有良好的鲁棒性和动稳态性能。

【总页数】12页(P1859-1870)【作者】汪凤翔;杨奥;于新红;张祯滨;王高林【作者单位】福州大学先进制造学院;电机驱动与功率电子国家地方联合工程研究中心(中国科学院海西研究院泉州装备制造研究中心);山东大学电气工程学院;哈尔滨工业大学电气工程及自动化学院【正文语种】中文【中图分类】TM46【相关文献】1.基于滑模模型参考自适应观测器的无速度传感器三相永磁同步电机模型预测转矩控制2.《航空高压直流供电系统中三相Vienna整流器\r的控制策略研究》之三\r——电网不平衡时Vienna整流器的滑模控制策略和稳定工作条件3.《航空高压直流供电系统中三相Vienna 整流器的控制策略研究》之一——基于新型开关表的Vienna 整流器直接电流控制策略4.基于模糊控制的自适应超螺旋滑模观测器无传感器控制5.基于自适应超螺旋滑模观测器的Buck变换器无模型预测控制因版权原因,仅展示原文概要,查看原文内容请购买。

基于观测器的永磁同步电机死区补偿方法


图 相 压 逆 电 三 电源 变 路

跟随正弦变化的矩形脉冲序列。加入死区时间, i 当 垫
开关管 Q 由导通变为关断时, 1 开关 管 Q 2不会 由关 区
要增加额外的硬件耗费。文献 [ ] 2 基于零 电流箝位 产生原因 , 在每个 P WM周期 内对两个 非零 空间电 压矢量作用时间分别补偿 , 取得较好效果 。但是该
t n srtg a e n MR b e v rw s p e e td C mp r d wi e ea o e s t n meh d ,te p o o e t o i t e y b s d o AS o s r e a r s n e . o a e t g n r lc mp n ai to s h rp s d meh d o a h o c n e fci ey a od t e d r c e e t n o n i c si t n o u rn e o c o sn .B s d o n lzn h e d t a f t l v i h i t t ci r i dr te t e v e d o e ma i fc re t r r s ig o z a e n a ay ig te d a i me ef c ft e tr e p a e v l g o r e i v r rcr u t c o d n o t e v co — o t l d P M d l h e ain hp f t h e - h s ot e s u c n e t i i,a c r ig t h e tr c nr l MS mo e ,t e r lt s i e o h a e c oe o
= 一
(0 1)
[ / 计

离散控制系统中的状态观测器设计

离散控制系统中的状态观测器设计离散控制系统是指系统的输入和输出是离散的,并且在时间上以离散的方式进行测量和控制。

状态观测器是离散控制系统中重要的组成部分,用于估计系统的状态变量,从而实现对系统的控制。

本文将介绍离散控制系统中状态观测器的设计方法及其应用。

一、状态观测器的概念和作用状态观测器是一种用于估计系统状态的装置或算法。

在离散控制系统中,通过观测系统的输出值和输入值,结合系统的数学模型,状态观测器能够推断出系统的状态变量,从而实现对系统的监测和控制。

状态观测器在离散控制系统中具有重要的作用。

首先,通过对系统状态的估计,可以实现对系统的运行状态的实时监测,减少故障的发生。

其次,状态观测器可以提供系统未知状态变量的估计值,从而实现对系统的控制。

因此,状态观测器在离散控制系统中具有广泛的应用。

二、状态观测器的设计方法状态观测器的设计方法可以分为两类:基于传统观测器设计方法和基于最优观测器设计方法。

1. 基于传统观测器设计方法基于传统观测器设计方法的核心思想是通过系统的输出值来估计系统的状态变量。

最常用的传统观测器设计方法有:(1)全阶观测器设计:全阶观测器是指观测器的状态向量与系统的状态向量具有相同的维数。

全阶观测器可以通过系统的输出值和输入值来准确地估计系统的状态变量。

(2)低阶观测器设计:低阶观测器是指观测器的状态向量比系统的状态向量的维数低。

低阶观测器设计方法通过将系统的状态变量投影到一个低维的观测空间中来实现对系统状态的估计。

2. 基于最优观测器设计方法基于最优观测器设计方法的核心思想是通过优化问题来设计状态观测器,使得估计误差最小。

最优观测器能够最大程度地准确估计系统的状态变量。

最常用的最优观测器设计方法是卡尔曼滤波器。

卡尔曼滤波器能够通过系统的输出值和输入值来估计系统的状态变量,并且可以自适应地调整观测器的参数,以最小化估计误差。

三、状态观测器的应用状态观测器在离散控制系统中有广泛的应用。

基于MRAS的IPMSM速度自适应全阶状态观测器的设计

基于MRAS的IPMSM速度自适应全阶状态观测器的设计黄韬【摘要】为提高内嵌式永磁同步电动机(IPMSM)在无速度传感器情况下的动态调速性能,选取转子坐标系下的定子电流、定子磁链作为状态变量,定子电压和电流分别作为输入和输出量设计出线性缓变的全阶状态观测器,并从观测器稳定性分析出发构造速度自适应律,通过自适应律输出更新全阶状态观测器的缓变值——转速,完成基于参考模型自适应(MRAS)的全阶线性缓变速度自适应状态观测器设计方案.利用该方案输出的磁链和转速值结合IPMSM直接转矩控制(DTC)系统进行仿真实验,结果表明:所设计的基于MRAS的IPMSM速度自适应状态观测器转速和转子位置跟随性能良好,具有良好的动稳态特性.【期刊名称】《厦门理工学院学报》【年(卷),期】2018(026)003【总页数】6页(P25-30)【关键词】内嵌式永磁同步电动机;全阶状态观测器;模型参考自适应;速度自适应律【作者】黄韬【作者单位】厦门理工学院现代工程训练中心,福建厦门 361024【正文语种】中文【中图分类】TM351与表贴式永磁同步电动机(SPMSM)相比,内嵌式永磁同步电动机(IPMSM)不仅具有高功率密度、高效率、高可靠性等优良的动态特性,而且过载能力强,转矩密度大,转子磁钢不脱落。

因此,基于IPMSM的调速系统广泛地应用于电动汽车和混合动力汽车中[1-2]。

电机调速系统中,速度信号的采集与反馈是必要的。

安装在电机转子上的速度或位置传感器可完成电机速度信号的采集,但该传感器价格昂贵,不仅提高了调速系统的成本,而且限制了其在恶劣环境下的应用。

无速度传感器技术逐渐成为电机调速领域研究热点。

文献[3-4] 分别设计了基于模型参考自适应(MRAS)算法的无速度传感器方法,但这些方法仅采用磁链或者定子电流作为状态变量,受电机参数影响较大。

文献[5-6] 研究了基于状态观测器的无速度传感器算法,但其状态观测器的反馈矩阵设计复杂,实现困难。

基于扩张状态观测器的发动机转速双闭环自适应控制系统设计

计算机测量与控制!"#""!$#!%"!!"#$%&'()'*+%('#',&-!",&(".!!#&"$!#收稿日期 "#"&&"""$!修回日期 "#""#""&%作者简介 徐亦卿!&''("&女&江苏常州人&硕士研究生&助教&主要从事软件工程'大数据'Y E[开发方向的研究%引用格式 徐亦卿&陆海澎!基于扩张状态观测器的发动机转速双闭环自适应控制系统设计(+)!计算机测量与控制&"#""&$#!%"*&"$ &",!文章编号 &-%&(.', "#"" #%#&"$#-!!/01 &#!&-."- 2!3456!&&7(%-" 89!"#""!#%!#&,!!中图分类号 :;"%"文献标识码 <基于扩张状态观测器的发动机转速双闭环自适应控制系统设计徐亦卿 陆海澎!常州工业职业技术学院&江苏常州!"&$&-("摘要 为较好控制发动机设备的实时转速水平&使其在不同压力水平下均能保持稳定转速&呈现理想化工作状态&设计基于扩张状态观测器的发动机转速双闭环自适应控制系统$根据双闭环电路的集成形式&连接发动机控制器与自适应传感器&利用隔离驱动芯片&更改观测器驱动管的作用频率周期&完成自适应控制系统的硬件执行环境搭建$在此基础上&深入分析扩张状态观测器的内部结构&以微分跟踪器作为切入点&选取关键的)A0参数&再借助扰动补偿向量&完成对扩张状态观测器的频域参数配置&联合相关硬件应用设备&实现基于扩张状态观测器的发动机转速双闭环自适应控制系统设计$实验结果表明&在扩张状态观测器作用下&发动机元件在不同压力水平下的实时转速水平均能得到有效控制&在&=$@9O的压力环境下外接飞轮转速的变化形式也与理想转速值变化趋势保持一致&可使发动机设备保持较长时间的稳定工作状态%关键词 扩张状态观测器$双闭环控制$自适应控制$驱动芯片$微分跟踪器$)A0参数$8'+4J,"6/,J4,'G$''=8"%>.'!."+'=j.""$1=*$&43'!",&(".G@+&'#9*+'=",/V&',='=G&*&'O>+'(3'(U Q_6W64F&a Q H O69E4F!I O4F\I L JB L3O86L4O K14M868J8E L Ta6F I814P J M8N S&?I O4F\I L J!"&$&-(&?I64O"1>+&(*;&*14L N P E N8L[E88E N3L48N L K8I E N E O K786X E M9E E P K E R E K L T8I E E4F64E E W J69X E48&M L8I O8683O4X O648O64O M8O[K E M9E E P J4P E N8I E P6T T E N E489N E M M J N E K E R E K M O4P9N E M E48O46P E O KZ L N564F M8O8E&OP J O K3K L M E P7K L L9O P O986R E3L48N L K M S M8E XT L N E4F64E M9E E P[O M E PL48I E E f9O4P E P M8O8E L[M E N R E N6M P E M6F4E P!<33L N P64F8L8I E648E F N O8E P T L N XL T8I E P L J[K E3K L M E P7K L L936N3J68&8I E E4F64E3L48N L K K E N O4P8I E O P O986R E M E4M L N O N E3L44E38E P&O4P8I E6M L K O8E P P N6R E N3I696M J M E P8L3I O4F E8I E O386L4T N E W J E43S9E N6L P L T8I E L[M E N R E N P N6R E N8J[E8L3L X9K E8E8I EI O N P Z O N E E f E3J86L4E4R6N L4X E483L4M8N J386L4L T8I E O P O986R E3L48N L K M S M8E X!048I6M[O M6M&8I E648E N4O K M8N J38J N EL T8I E E f8E4P E P M8O8E L[M E N R E N6M P E E9K S O4O K S\E P&8I E P6T T E N E486O K8N O35E N6M J M E PO M8I E E48N S9L648&8I E5E S9O N O X E8E N M L T8I E)A0O N EM E K E38E P&O4P8I E T N E W J E43S P L X O649O N O X E8E N3L4T6F J N O86L4L T8I E E f8E4P E P M8O8E L[M E N R E N6M3L X9K E8E PZ68I8I EI E K9L T8I EP6M8J N[7O43E3L X9E4M O86L4R E38L N&O4P8I E N E K O8E PI O N P Z O N E L T8I E O99K63O86L4E W J69X E486M3L X[64E P!:I E O99K63O86L4E W J69X E48N E O K6\E M8I EP E M6F4L T8I E P L J[K E3K L M E P7K L L9O P O986R E3L48N L K M S M8E XL T8I E E4F64E M9E E P[O M E PL48I E E f8E4P E P M8O8E L[M E N R E N!:I E E f9E N6X E48O KN E M J K8M M I L Z8I O8J4P E N8I E O386L4L T8I E E f9O4M6L4M8O8E L[M E N R E N&8I E N E O K786X E M9E E P K E R E K M L T8I E E4F64E3L X9L4E48M3O4[E E T T E3786R E K S3L48N L K K E PJ4P E N P6T T E N E489N E M M J N E K E R E K M&O4P8I E3I O4F E T L N X L T8I EE f8E N4O K T K S Z I E E K M9E E PO K M L5E E9M3L4M6M8E48Z68I8I E3I O4F E8N E4PL T8I E6P E O K M9E E PR O K J EJ4P E N8I E9N E M M J N EE4R6N L4X E48L T&=$@9O&Z I63I3O45E E98I EE4F64EE W J69X E4864OM8O[K EZ L N564F M8O8E T L N O K L4F86X E!'@5"(=+*E f8E4P E P M8O8E L[M E N R E N$P L J[K E3K L M E P7K L L93L48N L K$O P O986R E3L48N L K$P N6R E N3I69$P6T T E N E486O K8N O35E N$)A09O N O X E8E N MA!引言在发动机双闭环控制回路中&内环体系内的所有电压数值均相等&而当内环电压出现突然的升高或降低时&与之对应的外环体系就会表现出一个标准电压差&这也是导致电信号驱动行为难以保持完全统一状态的主要原因%在实际应用过程中&外环体系的存在就相当于一个标准参照物&只能对内环电信号表现行为提供一定的反馈&并不能对其具体数值水平进行标注与修改(&$)%扩张状态观测器是一种特殊的自抗扰控制器元件&可以根据系统外部输入变量与输出变量的实测值结果&判断系统主机所具备的动态运行能力&也叫状态重构器设备%简单来说&这种观测器元件的应用实质就是一个符合系统执行标准的模型结构&且由于连接能力的可协调性&所有状态变量都是由管控主机直接输出的%大多数扩张状态观测器都采取闭环连接的运行方式&不但能够克服开环状态观测器的各项应用弊端&也可以将主机元件完全解放出来&使其在维持系统动力供应条件的同时&具备独立处理干扰性问题的能力%通常情!投稿网址 Z Z Z!2M23K S5\!3L XCopyright©博看网. All Rights Reserved.!!计算机测量与控制!第$#""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""卷#&"(!#况下&正是由于扩张状态观测器的存在&各类复杂待控对象才能按需接入动力系统的既定模块单元之中&不但解决了控制对象过于依赖动力主机的问题&也将闭环网络完全解放出来&使其能够自发处理输入变量与输出变量之间的动力限制问题%为对发动机元件的转速水平进行控制&传统非谐波傅里叶变换测量系统以;1?&,](.".单片机元件作为核心控制器&在弹簧电磁驱动气门结构等多个执行器设备的作用下&判断当前时刻进气压力对发动机转速水平的影响强度&再根据傅里叶原则&对所得计算值结果进行判断与处理(()%然而随着进气压力水平的改变&该系统对于发动机设备实时转速水平的控制与约束能力并不能完全达到实际应用标准%为解决上述问题&应用扩张状态观测器设计了一种新型的发动机转速双闭环自适应控制系统%硬件执行环境由双闭环集成电路'发动机控制器'自适应传感器'隔离驱动芯片'观测器驱动管五部分组成&双闭环集成电路由动力源分路'集成分路'观测信号放大分路三部分组成&能够将发动机的速度等级维持在一个比较稳定的数值状态&使得发动机转速水平长时间保持相对稳定的数值状态&将外部压力对发动机运转能力的影响降到最低%软件部分以扩展状态观测器内部的微分跟踪器为出发点&选择了关键)A 0参数&利用干扰补偿矢量&对扩展状态观测器进行频域参数配置&结合硬件实现基于扩展状态观测器的双闭环自适应调速系统设计%B !自适应控制系统硬件设计发动机转速双闭环自适应控制系统的硬件执行环境由双闭环集成电路'发动机控制器'自适应传感器'隔离驱动芯片'观测器驱动管五部分共同组成&自适应控制系统硬件整体结构示意图如图&所示%图&!自适应控制系统硬件结构具体设计方法如下%B C B !双闭环集成电路发动机转速自适应控制系统的双闭环集成电路由动力源分路'集成分路'观测信号放大分路三部分共同组成%其中&动力源分路与外部接入电源直接相连&可在为发动机元件提供输入动力支持的同时&更改调控电阻已接入部分的阻值水平&且由于Q ;)主板元件的存在&电动机元件能够准确记录发动机结构转速的实时数值水平&一方面可以调节设备结构与外部气动压力之间的适配关系&另一方面也可做到对输入电量的最大化节约%集成分路中包含多个调控电阻&在实际应用过程中&这些设备结构元件始终保持串行连接关系(.-)%与其他接入子回路不同&集成分路负责监控双闭环集成电路的主控应用结构&需要在准确显示传输电流数值的同时&调节气动电压对Q ;)主板的作用强度&从而使得发动机转速水平长时间保持相对稳定的数值状态%观测信号放大分路以电信号放大器作为核心应用元件&能够借助变阻器设备&缓解:*主机所面临的电量负载压力&从而最大化减轻外部压力对发动机运转能力的影响%双闭环集成电路结构图如图"所示%图"!双闭环集成电路结构图为使双闭环集成电路的运行能力保持稳定&所有接入电阻的阻值水平都可以在.##"%.#-之间来回变化%B C D !发动机控制器发动机控制器是整个自适应控制系统的核心器件&连接双闭环集成电路与下级传感器设备&是以扩张状态观测器为逻辑中心的应用型调试结构(%)%本文采用发动机控制器型号为/A )%$"#&其基准电压为.=#B &最佳点火提前角在上止点前&#度左右&包含<@]h<:A h 通讯h 扩展h ;a ?逻辑功能%整个控制器结构中包含多个连接引脚&其具体连接及作用能力如下%&"C <0引脚*与发动机振荡器结构相连&可通过调节转速频率的方式&更改双闭环集成电路内的电信号传输流量&从而使得发动机元件所承担的传输电压与电流长期保持稳定状态$""C )$与C )]引脚*分别与自适应传感器和观测器驱动管结构相连&能够记录隔离驱动芯片内的压力作用情况&并将这些信息数据反馈至自适应控制主机中$$"1D 与0Q :引脚*1D 引脚负责接入双闭环集成电路中的传输电量&0Q :引脚负责将这些电量再次分配至下级连接元件$("B A A 与B //引脚*B A A 引脚具备较强的外设信号控制能力&可记录气动压力的实时作用水平&B //引脚只能感知发动机控制器内的动力负载情况&在实际作用过程中&始终与B A A 引脚保持定向连接关系(,)$!投稿网址 Z Z Z!2M 23K S5\!3L X Copyright ©博看网. All Rights Reserved.第%期徐亦卿&等*""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""基于扩张状态观测器的发动机转速双闭环自适应控制系统设计#&".!#."C ?&'C ?"'C ?$'C ?(引脚*这些引脚只能保持同步接入关系&也只有在扩张状态观测器连入发动机设备的情况下&才能开启既定连接行为$-";*/';*@';*0引脚*负责记录扩张状态观测器的执行状态&并可根据发动机的实时转速水平&向自适应控制主机反馈关键的数据信息参量%在发动机转速自适应控制系统中&控制器设备始终受到双闭环集成电路直属调度&这也是系统内传输电子量能够得到较好节约的主要原因%B C E !自适应传感器自适应传感器以A ;1单片机作为核心搭建元件&可联合扩张状态观测器&对发动机设备的实时转速水平进行调节&由于;1?&,]结构的存在&底层信号控制单元始终保持较强的感应灵活性&既能较好跟踪驱动芯片内电量信号的传输与消耗行为&也可以将已生成的感应电流暂存于放大器元件之中&为后续双闭环回路的形成提供电量支持('&#)%通常情况下&自适应传感器总是与发动机控制器保持相同的连接行为&对于传输电子的促进性作用能力也完全相同%在双闭环集成电路的作用下&A ;1单片机首先将转速控制信号传输至附属单片机结构中&当;1?&,]结构感知到控制主机的调度需求后&附属单片机同时释放所有已存储的控制信号参量&从而使得传感器内部的电信号保持绝对稳定的存在状态&为隔离驱动芯片的接入提供保障(&&&")%自适应传感器示意图如图$所示%图$!自适应传感器示意图分析图$所示的自适应传感器结构可知&主传感器元件只能对底层信号控制单元传输调节信号&而对于发动机转速调节结构发出的运行指令则不能进行任何的加工与处理%B C I !隔离驱动芯片在发动机转速双闭环自适应控制系统中&隔离驱动芯片负责将扩张状态观测器与控制器'传感器元件分离开来&使得双闭环集成电路能够对其进行分别供电&从而最大化保证发动机旋转运动空间的独立性与完整性%作为隔离驱动芯片的核心应用结构&@?$$&."板件同时调配压力感知主板'转速感知主板与压感电阻&从功能性角度来看&该结构的运行能力直接决定了发动机设备的实时转速水平&属于一种可控性连接元件(&$)%压感电阻接入部分的阻值水平决定了隔离驱动芯片的作用能力&通常情况下&随着发动机转速水平的改变&电阻元件的接入电阻数值也会发生变化&单体上满足前者转速越快'后者阻值越大的规律%适配调试主板的连接等级较高&可更改压力感知主板与转速感知主板间的限制约束能力&但在实际应用过程中&其具体作用能力也是由驱动芯片内的@?$$&."板件决定的%在实际应用过程中&隔离驱动芯片对于发动机转速的控制能力越强&@?$$&."板件对于传输电量信号的单位调度频率也就越快%B C K !观测器驱动管观测器驱动管负责对隔离驱动芯片进行调试&作为扩张状态观测器的下级附属结构&可管控发动机的实时转速水平&从而实现对双闭环控制回路的按需协调(&()%主弹簧集中分布在主气门结构上部&负责对衔接铁棒的连接紧密度进行调试&一方面能够避免发动机转动速度过快的情况出现&另一方面也可将主气门结构固定在既定连接位置处%主气门外同时套接两个铁芯与两个线圈&在发动机保持转动状态的情况下&由于两者之间存在一定的转速差&所以衔接铁棒的连接位置总是来回变动&这也是扩张状态观测器作用能力并不能保持完全稳定状态的主要原因(&.)%具体结构如图(所示%图(!观测器驱动管示意图固定弹簧存在于主弹簧下部&仅负责调节气门结构的连接紧密程度&不对发动机转速起到直接影响%D !扩张状态观测器的频域参数配置D C B !扩张状态观测器结构分析扩张状态观测器主控元件放置于底部支撑框架之上&在传输通路保持非闭合状态的情况下&扩张片元件的横截面积持续增大&直至观测器结构可以显示出主控元件所捕获到的所有发动机转动影像%在实际观测过程中&边框结构始终保持绝对稳定的连接状态&随着扩张片结构的不断运动&传输通路的存在状态也在不断改变&此时为使观测!投稿网址 Z Z Z!2M 23K S5\!3L X Copyright ©博看网. All Rights Reserved.!!计算机测量与控制!第$#""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""卷#&"-!#器的连接行为趋于稳定&应控制结构体在竖直方向上的运动幅度&一方面使得扩张状态观测器能够准确监视发动机的实时转速水平&另一方面也可以辅助双闭环集成电路对自适应电感信号进行按需捕获与处理(&-)%一般情况下&扩张状态观测器底部支架及外部边框所处位置不会随发动机转速的改变而发生变化%D C D !微分跟踪器微分跟踪器能够监管扩张状态观测器的连接行为&能够根据自适应前馈模型&分析当前情况下发动机元件的实时转速水平&并可将已获取信息反馈至发动机控制器结构中&以便于系统双闭环集成电路的直接调取与利用(&%)%设F #表示自适应电控信号的原始输出参量&4表示发动机元件的转速参量&&(表示单位转动周期&联立上述物理量&可将微分跟踪器对于扩张状态观测器的约束性行为标准表示为*P +F #-!B I %@>""4!&"式中&B 表示扩张片的振幅标准值&%表示双闭环集成电路中的电信号振荡系数&@>表示电量信号的感应特征值%根据微分跟踪器约束原则&核心控制主机可确定扩张状态观测器的实时行为状态&并可以此为基础&完成对发动机转速水平的按需调节%D C E !/G O 参数选取在发动机转速双闭环自适应控制系统中&)A 0参数能够决定扩张状态观测器中电感信号的最大输出量&若默认自适应传输行为的存在&则可认为)A 0参数取值结果越大&扩张状态观测器中电感信号的单位输出量越大(&,&')%在选取控制指标时&)A 0参数的取值受到双闭环集成电路波动系数'观测信号数值标量两项物理指标的直接影响%对于发动机转速双闭环自适应控制系统而言&集成电路波动系数可表示为5&作为一项矢量指标&该参量的数值水平不会随着系统运行时间的延长而出现变化%观测信号数值标量可表示为(&在考虑微分跟踪器约束原则的前提下&该项指标的取值结果始终处于!&&:"的物理区间之内%在上述物理量的支持下&联立公式!&"&可将)A 0参数选取条件定义为*H +D-t;05b M "I ;槡8"(P !""!!其中*;表示自适应取值标度&0表示发动机运动过程中的转速判别系数&b M 表示满足双闭环集成电路提取原则的电量获取系数&;8表示扩张状态观测器对于发动机元件的全局感知系数%规定在选取)A 0参数时&需参考发动机元件的实时转速水平&一般来说&转动速率越快&与之相对应的)A 0参数取值结果也就越大%D C I !扰动补偿向量扰动补偿向量是具有约束性的系数指标&可在已知)A 0参数选取结果的基础上&将发动机转速水平限制在既定数值区间之内&一方面满足双闭环集成电路对于电子量的消耗需求&另一方面也可以实现对发动机元件实时转速水平的控制与调节("#"")%所谓扰动补偿可以理解为一种动态平衡状态&对于发动机元件来说&随着其应用时间的延长&其运行所需的感应信号量也会不断增大&在此情况下&由转动所引起的电感变化也不可能始终保持相对稳定的存在状态&这也是导致发动机转速会时刻发生改变的主要原因("$".)%设1表示扩张状态观测器的设置参数&D &'D "'2'D *表示*个不同的随机转速值&@,X O f 表示最大电量传输情况下的感应信号输出均值&联立公式!""&可将扰动补偿向量计算结果表示为*$+H 1"D &-D "-2-D ()*"*S !@,槡"!$"!!在发动机转速双闭环自适应控制系统中&扰动补偿向量计算值越大&表示扩张状态观测器当前所处工作状态越稳定&因此为实现对发动机转速的准确监控&应尽可能避免)A 0参数取值结果对扰动补偿向量的影响&使其计算实值不断趋近理想化最大值%E !实例分析以图.所示发动机元件作为实验对象&同时打开进气口'进气门与排气口&使发动机设备进入正常工作状态&在确保链条进入匀速转动状态后&将曲轴与测速装置相连&不断调节火花塞的打火频率&使得发动机转速与外接飞轮转速保持一致%图.!实验用发动机设备在实验过程中&由于火花塞存在打火行为&所以直接计数发动机转速存在一定的危险性&而外接飞轮转速始终与发动机转速相等&故而可用前者代替后者%首先&应用基于扩张状态观测器的作用程序对计数器装置进行控制&将所得转速值作为实验组变量$其次&应用基于非谐波傅里叶变换的作用程序对计数器装置进行控制&将所得转速值作为对照组变量$然后&控制进气口打开程度&人为制造不同的气动压力环境$最后&分析实验组'对照组发动机转速在不同压力环境下的数值水平&将其与理想数值对比%实验随机参数为#=.@;O '#=,@;O'&=$@;O 三种不同的压力环境&$'-'''&"'&.'&,M 的取样时间&实验中所用参数为飞轮转速及气动压力取值%图-记录了外接飞轮转速在$种不同压力环境下的具体数值情况%!投稿网址 Z Z Z!2M 23K S5\!3L X Copyright ©博看网. All Rights Reserved.第%期徐亦卿&等*""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""基于扩张状态观测器的发动机转速双闭环自适应控制系统设计#&"%!#图-!外接飞轮转速的理想数值分析图-可知&在#=.@;O 的压力环境&外接飞轮转速始终保持绝对稳定的数值存在状态&外接飞轮转速理想数值为&###N -X 64&$在#=,@;O 的压力环境&外接飞轮转速理想数值为%.#N -X 64&能保持绝对稳定的数值存在状态&但相较于#=.@;O 的压力环境&其均值水平下降了".#N -X 64$在&=$@;O 的压力环境&外接飞轮转速理想数值呈现出先上升'再下降'最后趋于稳定的数值变化趋势&其最大取值结果达到%##N -X 64&最小为.##N -X 64&与#=,@;O 压力环境下的平均值相比&下降了.#N -X 64&除+#,取样节点外&其全局最小值为..$N -X 64&与其全局最大值相比&下降了&(%N -X 64%表&记录了实验组'对照组外接飞轮转速在#=.@;O '#=,@;O '&=$@;O 三种不同压力环境下的数值变化情况%表&!外接飞轮转速的实验数值实验组飞轮转速-!N -X 64"取样时间-M启动压力取值#!.@;O #!,@;O &!$@;O $'%,%($('--',.%(&.'$'',.%(#-,'&"',%%("-("&.',-%(".%.&,',,%(".%(对照组飞轮转速-!N -X 64"##取样时间-M启动压力取值#!.@;O #!,@;O &!$@;O $'#(%&&(".-'.&%"$-#,'&#&,%(,%$(&"&&"-%-.%.'&.&##$%,#,##&,'-%%'--("!!分析实验组飞轮转速水平可知&在#=.@;O 的压力环境&除第$M 的取样节点外&外接飞轮转速始终保持相对稳定的数值变化状态&其最大值与理想均值相比&下降了&"N -X 64$在#=,@;O 的压力环境&外接飞轮转速数值经过短时间的波动状态后&开始趋于完全稳定的形式&其稳定数值与理想均值相比&下降了,N -X 64$在&=$@;O 的压力环境&外接飞轮转速的变化形式也与理想转速值变化趋势保持一致&其最大值结果始终没有超过理想转速的最大值%分析对照组飞轮转速水平可知&在#=.@;O 的压力环境&外接飞轮转速值呈现先上升'再下降的变化趋势&且其最大值达到了&&"-N -X 64&超过了理想转速值$在#=,@;O的压力环境&外接飞轮转速呈现持续上升的变化形式&至实验结束&其最大值达到了%'-N -X 64&也超过了理想转速值$在&=$@;O 的压力环境&外接飞轮转速值经过持续上升状态后&开始大幅下降&其最大值达到了,##N -X 64&超过了理想转速值%综上可知*&"应用实验组系统&外接飞轮转速在$种不同压力环境下的数值水平始终低于理想转速值&且其数值变化趋势始终与理想转速曲线一致$""应用对照组系统&外接飞轮转速在$种不同压力环境下的数值水平均不能与理想转速曲线保持一致&且其数值变化规律极不稳定$$"实验组系统能够较好控制外接飞轮转速&使其在不同压力水平下均呈现出理想化的工作状态&即应用基于扩张状态观测器的双闭环自适应控制系统&更有利于调节发动机转速水平&使其长时间保持相对稳定的工作状态%I !结束语在扩张状态观测器的作用下&发动机转速控制系统从双闭环集成电路入手&构造完整的硬件应用环境&借助发动机控制器'自适应传感器等设备结构&在选取)A 0参数的同时&对扰动补偿向量指标进行准确计算%与非谐波傅里叶变换测量系统相比&扩张状态观测器作用下的控制系统&能够保证发动机转速始终维持在合理的低水平状态&对于促进发动机元件的稳定工作&具有较强的促进性影响作用%参考文献(&)熊文羽&王树林&叶!杰&等!增程器用天然气发动机转速双闭环自适应控制(+)!控制与决策&"#"#&$.!%"*&-"$&-$#!(")李晓理&王!康&于秀明&等!基于?;A 框架的微粉生产过程多模型自适应控制(+)!自动化学报&"#&'&(.!%"*&$.(&$-.!($)郭政波&房剑锋&刘振刚!无人机用涡喷发动机转速不跟随油门故障分析(+)!燃气涡轮试验与研究&"#"#&$$!&"*$&$.&(-!(()王鸿鹏&段发阶&蒋佳佳&等!基于非谐波傅里叶变换的发动机转速测量系统(+)!电力电子技术&"#"#&.(!("*.%-#!!投稿网址 Z Z Z!2M 23K S5\!3L X Copyright ©博看网. 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Observer-based adaptive control of robot manipulators:Fuzzy systems approachNoureddine Gole´a a,*,Amar Gole´a b,Kamel Barra a,Tarek Bouktir aa Electrical Engineering Institute,Oum El-Bouaghi University,04000Oum El-Bouaghi,Algeriab Electrical Engineering Department,Biskra University,07000Biskra,AlgeriaReceived30January2006;received in revised form3April2007;accepted24May2007Available online15June2007AbstractThis paper presents a fuzzy adaptive control suitable for motion control of multi-link robot manipulators with structured and unstructured uncertainties.When joint velocities are available,full state fuzzy adaptive feedback control is designed to ensure the stability of the closed loop dynamic.If the joint velocities are not measurable,an observer is introduced and an adaptive output feedback control is designed based on the estimated velocities.In the proposed control scheme,we need not derive the linear formulation of robot dynamic equation and tune the parameters. To reduce the number of fuzzy rules of the fuzzy controller,we consider the properties of robot dynamics and the decomposition of the uncertainties terms.The proposed controller is robust against uncertainties and external disturbance.Further,it is shown that required stability conditions,in both cases,can be formulated as LMI problems and solved using dedicated software.The validity of the control scheme is demonstrated by computer simulations on a two-link robot manipulator.#2007Elsevier B.V.All rights reserved.Keywords:Robot manipulators;Fuzzy systems;Adaptive control;Observer;Stability1.IntroductionRobots are one of the most important pieces of machinery for industrial automation nowadays.Design of robust adaptive controllers suitable for real-time control of robot manipulators is one of the most challenging tasks for many control engineers, especially when manipulators are required to maneuver very quickly under external disturbances.Motion control of robot manipulators has been studied using various approaches(see e.g.,[1–8]and references therein).The traditional proportional and derivative(PD)controller is very simple and does not require any knowledge of the robot dynamics.However,it requires very large actuation to achieve precise control,which is not practical but highly demanded in many cases.Robot manipulators are multivariable nonlinear coupling systems and are frequently subjected to structured and/or unstructured uncertainties even in a well-structured setting for industrial use. Structured uncertainties are mainly caused by imprecision in the manipulator link properties,unknown loads,and so on. Unstructured uncertainties are caused by unmodeled dynamics, e.g.,nonlinear friction,disturbances,and high-frequency models of the dynamics.As a result,it is difficult to obtain an accurate mathematical model so that computed torque controllers[1,6]or other model-based controllers[3,8]can be accurately applied.Although adaptive controllers[1,5,7]can achievefine control and compensate for partially unknown manipulator dynamics(i.e.,structured uncertainties),they often suffer from incapacity to deal with unstructured uncertainties. Hence,there is a need for model-free adaptive control strategies.The application of fuzzy systems to robots dynamic control is not new[9–11].Though the proposed methods have been practically successful,it has proved extremely difficult to develop a general analysis and design theory for conventional fuzzy control systems.During the last few years,a number of papers have been presented to deal with the problem of robot adaptive control[12–16].The basic idea of these methods is to design the feedback controller based on the computed torque principle,and to use an adaptive fuzzy system to approximate the robot nonlinearities involved in the control input design. However,most of the above designs present two drawbacks./locate/asocApplied Soft Computing8(2008)778–787*Corresponding author.E-mail addresses:nour_golea@yahoo.fr(N.Gole´a),goleaamar1@yahoo.fr(A.Gole´a).1568-4946/$–see front matter#2007Elsevier B.V.All rights reserved.doi:10.1016/j.asoc.2007.05.011First,the robot dynamic is presented as single nonlinearityapproximated by a single fuzzy system with the robot real and desired positions and velocities as inputs,which results in large number of rules with lot of parameters to be tuned.Second,the feedback control design is setup under the constraint that the states of the robot are available,which is not true in many practical cases where the joint velocities are not measurable.In this paper,we develop an adaptive fuzzy control for rigid robot manipulators,with reduced complexity.This work can be classed in the context of observer-based fuzzy adaptive control of MIMO nonlinear systems where few approaches were proposed (see e.g.,[17–19]).Ref.[17]proposes a hybrid direct–indirect fuzzy adaptive approach,while [17,18]investigate the indirect one.In [17],a linear observer is used to estimate the tracking errors,while in [18,19]a nonlinear observer,based on the system estimated fuzzy model,is used to estimate the system state vector.The three approaches share the introduction of robustifying terms to ensure the convergence.Further,[17,19]share the assumption that strict positive real (SPR)condition is fulfilled for the estimation error dynamic,which is not true due to the triplet (A ,B ,C )structure.This assumption is meet in [18]by appropriately filtering the estimation error dynamic.The present work differs from [17–19]in several aspects.The first one is that this work is dedicated to robot manipulators dynamic control and exploits the robots dynamic structure in the control design,while [17,18]are of general purpose.The second aspect is that,compared to [17–19]where all input gain matrix elements are estimated,only the diagonal elements are considered here which reduces the used fuzzy approximators number and complexity.The third aspect is that no robustifying term is used,and the tracking and stabilization is ensured by the fuzzy adaptive controller.The last aspect is that,as in [17],a linear observer is used to estimate the tracking errors,which in turn are used in the parameters update laws.This technique avoids the SPR condition problem encountered in [17,19]and the filtering approach used in [18].The paper is organized as follows.In Section 2,the rigid robot control problem is formulated,and a brief description of fuzzy systems is presented.In Section 3,based on full state information assumption,a fuzzy adaptive state feedback is designed and it’s stability is analyzed.In Section 4,a linear observer is used to estimate the joint velocities,and an observer-based output-feedback control law is developed.In Section 5,simulation tests for a two-link robot under uncertainties and disturbances are presented to confirm the effectiveness and applicability of the proposed method.Finally,conclusions are included in Section 6.2.PreliminariesStandard notation is used in this paper.Let R be the real number set,R n be the n -dimensional vector space,R n Ân be the n Ân real matrix space.The norm of vector x 2R n and that of matrix A 2R n Ân are defined,respectively,as j x j ¼ffiffiffiffiffiffiffix T x p and j A j 2¼tr ½A TA .If y is a scalar,then j y j denotes the absolute value.2.1.Robot control problemThe dynamic equations of the robot manipulator are a set of highly nonlinear coupled differential ing the Lagrange–Euler formulation,the dynamic equation of an n -joint robot arm can be expressed asM ðq Þ¨q þc ðq ;˙q Þþg ðq Þþt c ðq ;˙qÞþt d ðq ;˙q Þ¼u (1)where M ðq Þ2R n Ân is the bounded positive definite inertia matrix;c ðq ;˙q Þ2R n the vector representing centrifugal and Coriolis effects;g ðq Þ2R n the vector representing gravita-tional torques;and t c ðq ;˙q Þ2R n ,t d ðq ;˙q Þ2R n are the vectors representing the dynamic effects as nonlinear frictions,small joint and link elasticities,backlash and bounded torque disturbances.Here the uncertainties effect is decom-posed as continuous part t c ðq ;˙q Þand discontinuous part t d ðq ;˙q Þ.u 2R n is the vector of joint torques supplied by the actuators;q 2R n the vector of joint positions;˙q 2R n the vector of joint velocities;and ¨q 2R n is the vector of joint accelerations.Taking as state vector x T ¼½x T 1ÁÁÁx T n with x Ti ¼½q i ˙q i ;the robot model (1)can be rewritten as ˙x ¼Ax þB ½F ðq ;˙q ÞþG ðq Þu þd ðq ;˙q Þ (2)whereF ðq ;˙q Þ¼f 1ðq ;˙q Þ...f n ðq ;˙q Þ264375:¼ÀM À1ðq Þ½c ðq ;˙q Þþg ðq Þþt c ðq ;˙q Þ G ðq Þ¼g 11ðq ÞÁÁÁg 1n ðq Þ...}...g n 1ðq ÞÁÁÁg nn ðq Þ264375:¼M À1ðq Þd ðq ;˙q Þ¼d 1ðq ;˙q Þ...d n ðq ;˙q Þ264375:¼ÀM À1ðq Þt d ðq ;˙q Þand A ¼diag ½A 1;...;A n ,B ¼diag ½b 1;...;b n with A i ¼0100 ;b i ¼01;i ¼1;...;n The tracking control problem can be stated as:for given bounded reference trajectories q r ,˙q r and ¨q r 2R n ,(with j ¨q r j q 0form some known constant q 0)design the control input torques u such as the robot’s states follow the reference trajectories,with all involved signals in closed loop remain bounded.2.2.Fuzzy systemsA fuzzy system (FS)consists of four parts:the knowledge base,the fuzzifier,the fuzzy inference engine working on fuzzy rules,and the defuzzifier.The knowledge base for the FSN.Gole ´a et al./Applied Soft Computing 8(2008)778–787779comprises a collection of fuzzy If–then rules of the following form:R j:If z1is Z j1and z2is Z j2and;...;and z p is Z j m then y is Y j;j¼1;...;m(3) where z¼ðz1;...;z pÞ2R p,y2R are the fuzzy system inputand output,respectively.The fuzzy sets Z jl and Y j,associatedwith the membership functions mZ jl ðz jÞand m Y jðyÞ,respec-tively,operate fuzzy partitions of the fuzzy system input and output spaces Z and Y,respectively.m is the rules number.The output of the FS with weighted-center defuzzifier,product inference,and singleton fuzzifier is of the following form:y¼X mj¼1f jðzÞw j(4)where f jðzÞ¼Q pl¼1mZ jlðz lÞand w j is the point in Y at whichm Y jðyÞachieves its maximum value.In more compact form,(4) can be arranged asy¼u T fðzÞ(5) where u T¼½w1...w m and f TðzÞ¼½f1ðzÞ...f mðzÞ .In this work,the membership functions are chosen as gaussian function;that ism Z jl ðz lÞ¼expÀðz lÀc jlÞ22sjl(6)where c jl and s jl are the membership function center and variance,respectively.The above membership function could be replaced by any other function,but as was shown in[20],this function has the best approximation property.To maintain consistent performance of the fuzzy systems in situations where there is a large uncertainty or unknown variation in plant parameters and structures,the fuzzy systems should be adaptive.To reduce the processing requirements,the membership functions parameters arefixed(i.e.,regular membership functions distribution is used),and the vector u is chosen as the free adjustable parameter.3.Fuzzy adaptive state feedbackIn this section,it is assumed that robot joint velocities are available to measurement.Then,adaptive fuzzy state feedback can be designed using full state vector information.Theoretical results[20,21]have shown that fuzzy systems (5)are universal approximators,i.e.,they can approximate any smooth function on a compact space.Due to this approximation capability,we can assume that the nonlinear terms in(2)can be approximated asf iðq;˙qÞ¼uÃT fif iðq;˙qÞþe iðq;˙qÞ;g iiðqÞ¼uÃT gi c iðqÞþe iðqÞ;i¼1;...;n(7)where uÃT fi f iðq;˙qÞand uÃT gic iðqÞare fuzzy systems of the from(5),and e iðq;˙qÞ,e iðqÞare the inherent approximation errors due to thefinite number of rules in the fuzzy systems.The optimal weights uÃfiand uÃgidefined above are quantities required only for analytical purpose.Typically uÃfiand uÃgiare chosen to minimize e iðq;˙qÞand e iðqÞover the compact regions V f and V g respectively,that isuÃf i¼arg min f supq;˙q2V fj f iðq;˙qÞÀu T fi f iðq;˙qÞjguÃg i¼arg min f supq2V gj g iiðqÞÀu T gi c iðqÞjgAssumption1.The fuzzy systems approximation errors are bounded by j e iðq;˙qÞj e0i and j e iðqÞj e0i,i¼1;...;n,for some constants e0i and e0i.Assumption1results from the universal approximation property of fuzzy systems,that can approximate any well-defined function over a compact space withfinite approxima-tion error.Using(7)in(2),the robot dynamic can be written as˙x¼AxþB½QÃf Fðq;˙qÞþQÃg CðqÞuþHðqÞuþvðq;˙qÞ (8) whereFðq;˙qÞ¼block-diag½f1ðq;˙qÞ;...;f nðq;˙qÞ ;-Cðq;˙qÞ¼block-diag½c1ðq;˙qÞ;...;c nðq;˙qÞ ,QÃf¼block-diag½uÃT f1;...;uÃTf n,QÃg¼block-diag½uÃT g1;...;uÃT gn,vðq;˙qÞ¼eþdðq;˙qÞ,with e T¼½e1ÁÁÁe n ,andHðqÞ¼e1g12ðqÞÁÁÁg1nðqÞg21ðqÞ}......}gðnÀ1ÞnðqÞg n1ðqÞÁÁÁg nðnÀ1ÞðqÞe n266664377775 Based on(7)and(8),the control inputs are defined asu¼½Q g CðqÞ À1½ÀQ f Fðq;˙qÞþ¨q rþK e (9)where e T¼½ðqrÀqÞTð˙q rÀ˙qÞT is the tracking error vec-tor,Q g;Q f are the estimated fuzzy systems parameters,and K¼diag½K1;...;K n with K i2R2is PD regulator gain vector, chosen such as the matrix A c¼AÀBK is Hurwitz.Then,introducing the control input(9)in(8)yields˙e¼A c eÀB½¯Q f Fðq;˙qÞþ¯Q g CðqÞuþHðqÞuþvðq;˙qÞ(10) where¯Q f¼QÃfÀQ f and¯Q g¼QÃgÀQ g are the parameters estimation errors.From(10),it can be seen that the tracking error vector is driven by the coupling terms and thefinite approximation accuracy effects reflected by HðqÞand the uncertainty term vðq;˙qÞ.To design the fuzzy systems parameters update laws and to ensure boundedness of the involved signals in the closed loop robot control,the following assumptions are used:Assumption2.The diagonal elements of GðqÞare bounded such as g m diag½g11ðqÞ;...;g nnðqÞ g M,the matrix HðqÞisN.Gole´a et al./Applied Soft Computing8(2008)778–787 780bounded by j HðqÞj h0,and the disturbance term vðq;˙qÞis bounded by j vðq;˙qÞj v0.Assumption3.The fuzzy systems parameters are bounded by the constraint sets V f and V g such that:V f¼f QÃf jj QÃf j f M g and V g¼f QÃg j g m j QÃg j g M g;respectively,where f M,g m,and g M are some known constants.Thefirst part of Assumption2follows from the fact that MðqÞis bounded positive definite matrix,the second part follows from the boundedness of MðqÞand e iðqÞ.Finally,the third part follows from boundedness of MðqÞ,t d and e iðq;˙qÞ. The bounds used in Assumption3result from the Assumptions 1and2and are used to ensure the boundedness of the fuzzy systems outputs.In order to constraint the parameters Q f and Q g within the sets V f and V g,respectively,we use the following parameter projection algorithm:˙Qf ¼Àg1W fif j Q f j<f M orðj Q f j¼f M and tr½W f Q T f !0ÞÀg1W fþg1tr½W f Q T f1þj Q f jf M2Q fif j Q f j¼f M and tr½W f Q T f <08>>>>>><>>>>>>:(11)and˙Q g ¼Àg2W gif j Q g j<g M orðj Q g j¼g M and tr½W g Q T g !0ÞÀg2W gþg2tr½W g Q T g1þj Q g jg M2Q gif j Q g j¼g M and tr½W g Q T g 08>>>>>>>><>>>>>>>>:(12)where g1;g2>0are design parameters,W f¼B T Pe F Tðq;˙qÞ, W g¼B T Peu T C TðqÞ,and P¼P T>0is the solution,for a given Q¼Q T>0,of the Lyapunov equation:A TcPþPA c¼ÀQ(13) Moreover,in order to guarantee j Q g j!g m such that an inverse of Q g CðqÞalways exists,we use the following law to adjust the parameter Q g.1.Whenever any element½Q gi j¼g m use½˙Q gi j ¼Àg2½W gi jif½W gi j<00if½W gi j!0(14)2.Otherwise,use(12).where½Ai j stands for the ij th element of the matrix A.The stability properties of the proposed fuzzy adaptive state feedback are summarized by the following theorem. Theorem1.The robot adaptive control composed by the robot dynamic(2),the control input(9),the update laws (11)–(12)and(14)verifying Assumptions1–3,guarantees the following:1.j Q f j f M and g m j Q g j g M2.j e j2L13.j u j2L1Proof.1.To prove that g m j Q g j g M,let V g¼12g1tr½Q T g Q g ,then ˙Vg¼tr½˙Q T g Q g .If thefirst line of(12)is true,we have either j Q g j<g M or˙V g¼Àtr½W T g Q g 0when j Q g j¼g M,that is, we get always j Q g j g M.If the second line of(12)is true, we have j Q g j¼g M and˙Vg¼trÀW T g Q gþtr½W g Q T g1þj Qgjg M2Q TgQ g¼Àtr½W T g Q g þtr½W g Q T g1þj Qgjg M2tr½Q T g Q g (15)since j Q g j¼g M;we get˙Vg¼tr½W g Q T g g2M0(16) that is,j Q g j g M.Therefore,we have j Q g j g M,8t!0.From(14)we see that if j Q g j i j¼g m,then½˙Q gi j!0;that is,we have that j Q g j!g ing the same analysis,we can prove that j Q f j f M,8t!0.2.Consider the Lyapunov function:V¼1e T P eþ11tr½¯Q T f¯Q f þ12tr½¯Q T g¯Q g (17)The differentiation of(17)along(10)yields˙V¼À12e T Q eÀe T PB½¯Qf Fðq;˙qÞþ¯Qg CðqÞuþHðqÞuþvðq;˙qÞ þ1g1tr½˙¯Q T f¯Q f þ1g2tr½˙¯Q T g¯Q g (18)which,using matrices traces properties,can be arranged as˙V¼À12e T Q eÀe T PB½HðqÞuþvðq;˙qÞþ1g1tr½ð˙¯Q T fÀg1Fðq;˙qÞe T PBÞ¯Q fþ1g2tr½ð˙¯Q T gÀg2CðqÞu e T PBÞ¯Q g (19)Then,using(11)and(12)and the fact that˙¯Q f¼À˙Q f (˙¯Q g¼À˙Q g),(19)can be written as˙V¼À12e T Q eÀe T PB½HðqÞuþvðq;˙qÞÀ1g1tr½ð˙Q T fþg1W T fÞ¯Q f À1g2tr½ð˙Q T gþg2W T gÞ¯Q g(20)We now prove that the last two terms in(20)are always0.If thefirst lines of(11)and(12)are true the result isN.Gole´a et al./Applied Soft Computing8(2008)778–787781trivial.If the second lines are true,then we get ˙V ¼À12e T Q e Àe T PB ½H ðq Þu þv ðq ;˙q ÞÀtr ½W f Q T f 1þj Q f j f M2tr ½Q T f ¯Q f Àtr ½W g Q T g 1þj Q g j g M2tr ½Q T g ¯Q g (21)On the other hand,we havetr ½Q T f ¯Qf ¼12tr ½Q ÃT f Q Ãf À12tr ½Q T f Q f À12tr ½¯Q T f ¯Q f (22)Since tr ½Q ÃT f Q Ãf f 2M,tr ½Q T f Q f ¼f 2M and tr ½¯Q T f ¯Q f !0we get tr ½Q T f ¯Qf 0,which,with tr ½W f Q T f <0,means that third term in (21)is 0.The same analysis can be used to show that last term in (21)is also 0.Then,(21)can be arranged as˙V À12e T Q e Àe T PB ½H ðq Þu þv ðq ;˙q Þ(23)Further,introducing the control law (9)in (23)yields˙VÀ1e T Q e Àe T PB z 1e Àe T PB z 2(24)with the bounded terms:z 1¼H ðq Þ½Q g C ðq Þ À1Kz 2¼H ðq Þ½Q g C ðq Þ À1½ÀQ f F ðq ;˙q Þþ¨q r þv ðq ;˙q ÞMore,(24)can be upper bounded by ˙VÀ12e T Q e Àe T PB z 1e þ12e T PBB T P e þ12j z 2j 2(25)which can be arranged as˙VÀ12e T ðQ þ2PB z 1ÀPBB T P Þe þ12j z 2j 2(26)Then,if Q and P are chosen such that the followinginequalityQ þ2PB z 1ÀPBB T P !Q 1(27)holds for some positive definite matrix Q 1,then we get˙VÀ12e T Q 1e þ12j z 2j 2(28)which can be upper bounded by ˙VÀ12l min ðQ 1Þj e j 2þþ12j z 2j 2(29)where l min ðQ 1Þis the smallest eigenvalue of Q 1.Then ˙V0whenever the tracking error is outside the region given by j e j j z 2jffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffil min ðQ 1Þp (30)which implies that j e j 2L 1.3.Consider that (9)can be upper bounded by u j½Q g C ðq Þ À1j½j Q f F ðq ;˙q Þj þj ¨q r j þj K jj e j (31)and the results 1,2and (31)yieldsj u j 1g mf M þq 0þj K j j z 2j ffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffil min ðQ 1Þp (32)this implies that j u j 2L 1.&4.Observer-based fuzzy adaptive controlIn Section 3,the joint velocities were supposed to beavailable for feedback.This assumption limits the applica-tion of the proposed approach,because,in many practical situations only the joint positions are measured.In this section,fuzzy adaptive output feedback is investigated by introducing an observer to reconstruct the robot state vector.Let’s define the following linear state observer:˙ˆx ¼A ˆx þL¯q (33)ˆq¼C ˆx (34)where ˆx T ¼½ˆq T ˙ˆq Tare the estimated positions and veloci-ties,¯q ¼q Àˆqare the positions estimation errors.L T¼diag ½L 1;...;L n ,with L i 2R 2,is the observer gain vector,and C ¼diag ½c 1;...;c n with c i ¼½10 .The state and output estimation errors,using (8),(33)and (34),are given by˙¯x ¼A¯x þB ½Q Ãf F ðq ;˙q ÞþQ Ãg C ðq Þu þH ðq Þu þv ðq ;˙qÞ ÀL¯q (35)¯q ¼C¯x (36)where ¯x ¼x Àˆxis the state estimation error.Based on robot estimated state vector,the control input (9)is redefined asu ¼½Q g C ðq Þ À1½ÀQ f F ðq ;˙ˆq Þþ¨q r þK ˆe (37)where ˆeis the estimated tracking error.Then,introducing (37)in (35)yields˙¯x ¼A¯x þB ½Q Ãf F ðq ;˙q ÞÀQ f F ðq ;˙ˆq Þþ¯Q g C ðq Þu þ¨q rþK ˆe þH ðq Þu þd ðq ;˙q Þ ÀL¯q (38)Using (36)and the fact that ˆe ¼e þ¯x ,(38)can be arrangedas˙¯x ¼A 0¯x þB ½Q Ãf F ðq ;˙q ÞÀQ f F ðq ;˙ˆq Þþ¯Q g C ðq Þu þ¨q rþH ðq Þu þd ðq ;˙q Þ þBK e (39)where A 0¼ðA þBK ÀLC Þ.N.Gole´a et al./Applied Soft Computing 8(2008)778–787782From the definition of the membership functions (6),F ðq ;˙q Þcan be decomposed as F ðq ;˙q Þ¼F ðq ;˙ˆqÞþS ðq ;˙¯q Þ(40)where S ðq ;˙q Þrepresents the high order terms of Taylor devel-opment of F ðq ;˙q Þin the neighborhood of ˙ˆq.Note,that since j F ðq ;˙q Þj ;j F ðq ;˙ˆqÞj 1then S ðq ;˙¯q Þis also bounded by j S ðq ;˙¯q Þj 1.Substituting (40)in (39)yields ˙¯x ¼A 0¯x þB ½¯Q f F ðq ;˙ˆq Þþ¯Q g C ðq Þu þ¨q r þH ðq Þu þ&ðq ;˙q ÞþBK e (41)where &ðq ;˙q Þ¼Q Ãf S ðq ;˙qÞþv ðq ;˙q Þ.Then,using the control input (37),the tracking error dynamic is given by˙e ¼A c e ÀB ½¯Q f F ðq ;˙ˆq Þþ¯Q g C ðq Þu þH ðq Þu þ&ðq ;˙q ÞÀBK ¯x (42)In order to constraint the parameters Q f and Q g within thesets V f and V g ,respectively,the same update laws (11),(12)and (14)are used with W f ¼B T P ˆeF T ðq ;˙ˆq Þand W g ¼B T P ˆe u T C Tðq Þ.Theorem 2.The observer-based fuzzy adaptive robot con-trol,composed by the robot dynamic (2),the observer (33)and (34),the control input (37)and the update laws (11),(12)and (14)(with the indicated changes),guarantees the follow-ing :1.j Q f j f M and g m j Q g j g M2.j e j 2L 1;j ¯x j 2L 13.j u j 2L 1Proof.1.The proof follows the same line as in Theorem 12.Consider the Lyapunov function:V ¼12e T P e þ12¯x T P 0¯x þ12g 1tr ½¯Q T f ¯Q f þ12g 2tr ½¯Q T g ¯Q g (43)where P 0¼P T 0>0is the solution,for a given Q 0¼Q T 0>0,of the Lyapunov equationA T 0P 0þP 0A 0¼ÀQ 0(44)The differentiation of (43)along (41)and (42)yields ˙V ¼À12¯x T Q 0¯x þ¯x T P 0B ½¯Qf F ðq ;˙ˆq Þþ¯Qg C ðq Þu þ¨q r þH ðq Þu þ&ðq ;˙qÞ À12e T Q e Àe T PB ½¯Qf F ðq ;˙ˆq Þþ¯Qg C ðq Þu þH ðq Þu þ&ðq ;˙q Þ þ¯xT P 0BK e Àe T PBK ¯x þ1g 1tr ½˙¯Q T f ¯Q f þ1g 2tr ½˙¯Q T g ¯Q g (45)Then,using the fact that e ¼ˆe À¯x in (45)becomes ˙V ¼À12¯x T Q 0¯x À12e T Q e ÀˆeT PB ½¯Q f F ðq ;˙ˆq Þþ¯Q g C ðq Þu Àe T PB ½H ðq Þu þ&ðq ;˙q Þ þ¯x T P 0B ½H ðq Þu þ¨q r þ&ðq ;˙q Þ þ¯x T P 0B ½¯Qf F ðq ;˙ˆq Þþ¯Qg C ðq Þu þ¯x T PB ½¯Q f F ðq ;˙ˆq Þþ¯Q g C ðq Þu þ¯x T P 0BK e Àe T PBK ¯x þ1g 1tr ½˙¯QT f ¯Q f þ1g 2tr ½˙¯Q T g ¯Q g (46)Further,using the update laws (11)and (12)(with the indicated changes)in (46)yields˙V À12¯x T Q 0¯x À12e T Q e Àe T PB ½H ðq Þu þ&ðq ;˙q Þþ¯x T P 0B ½H ðq Þu þ¨q r þ&ðq ;˙q Þ þ¯x T P 0B ½¯Qf F ðq ;˙ˆq Þþ¯Qg C ðq Þu þ¯x T PB ½¯Q f F ðq ;˙ˆq Þþ¯Q g C ðq Þu þ¯x T P 0BK e Àe T PBK ¯x (47)which,using the control input (37),can be arranged as ˙V À12¯x T Q 0¯x À12e T Q e þ¯x T ½2P 0þP B L 1K ¯x Àe T PB L 1K e Àe T PB ½L 1ÀI n K¯x þ¯x T ½2P 0B ðL 1þI n ÞþPB L 1 K e þ¯x T ½P 0B ðL 3þL 4ÞþPB L 4 Àe T PB L 2(48)where L 1¼H ðq Þ½Q g C ðq Þ À1;L 2¼L 1½ÀQ f F ðq ;˙ˆq Þþ¨q r þ&ðq ;˙q Þ;L 3¼L 2þ¨qr ;L 4¼¯Q f F ðq ;˙ˆq Þþ¯Q g C ðq Þ½Q g C ðq Þ À1½ÀQ f F ðq ;˙ˆq Þþ¨q r .Further,adopting the following notation:z ¼¯x e ;Q ¼Q 0À½2P 0þP B L 1K À½2P 0B ðL 1þI n ÞþPB L 1 K PB ½L 1ÀI n K Q þPB L 1K ;G ¼½P 0B ðL 3þL 4ÞþPB L 4 ÀPB L 2Eq.(48)can be rewritten as ˙VÀz T Q z þz T G (49)Hence,if there exist definite matrices P and P 0such thatQ is positive definite matrix,then (49)can be upper bounded by˙VÀl min ðQÞj z j 2þj z jj G j (50)where l min ðQÞis the smallest eigenvalue of Q .N.Gole ´a et al./Applied Soft Computing 8(2008)778–787783。

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