CN114290327B

CN114290327B - 基于一阶变增益adrc的六轴机械臂控制系统

Info

Publication number: CN114290327B
Application number: CN202111413191.0A
Authority: CN
Inventors: 刘赵阳; 骆敏舟; 卢钰
Original assignee: Institute of Intelligent Manufacturing Technology JITRI
Current assignee: Institute of Intelligent Manufacturing Technology JITRI
Priority date: 2021-11-25
Filing date: 2021-11-25
Publication date: 2023-05-30
Anticipated expiration: 2041-11-25
Also published as: CN114290327A

Abstract

本发明提供了基于一阶变增益ADRC的六轴机械臂控制系统，包括一阶变增益ADRC控制器，所述一阶变增益ADRC控制器包括：线性跟踪模块；通过上位机进行路径、速度规划，输出给定转速并传递至伺服驱动系统；扩张状态观察模块；将被控系统所有内部和外部扰动视为一体，扩张出新状态量‑‑总扰动z₂，并对总扰动进行动态估计与反馈补偿；保留传统ADRC的变增益fal函数，采用ESO来实现总扰动的估计和反馈取代误差积分反馈的作用；复合状态误差反馈模块；在SEF中增益由非线性函数fal组成，对ESO得到的扰动量进行反馈补偿以抵消内外扰动对系统的影响。

Description

基于一阶变增益ADRC的六轴机械臂控制系统

技术领域

本发明涉及机械臂控制技术领域，尤其涉及基于一阶变增益ADRC的六轴机械臂控制系统。

背景技术

六轴机械臂在执行抓取、搬运、对接等任务中，由于机械臂由多个关节构成，其自身构型、姿态直接影响机械臂的负载转矩发生较大变化。传统PID控制由于其控制参数相对固定，若负载转矩变大将会导致其伺服系统的控制性能下降；此外同一组PID参数也很难应用于驱动全速领域，尤其是高速与低速时最佳PID参数都需要额外整定。

采用ADRC控制器的矢量控制系统存在对负载变换的适应能力、参数鲁棒性和抗干扰性强的优点。因此为了在系统内外界参数发生变化时，关节伺服系统在全速域均具有良好的动静态性能，通常用ADRC控制器代替速度环中的普通PID控制器。

传统非线性ADRC具有收敛速度快、稳态精度高等有点，但由于各种非线性函数的存在，其对处理器性能要求较高，且参数较多难以应用于实际场合。

发明内容

本发明针对现有技术的不足，提供了基于一阶变增益ADRC的六轴机械臂控制系统。

本发明通过以下技术手段实现解决上述技术问题的：

基于一阶变增益ADRC的六轴机械臂控制系统，包括一阶变增益ADRC控制器，所述一阶变增益ADRC控制器包括：

线性跟踪模块；通过上位机进行路径、速度规划，输出给定转速并传递至伺服驱动系统，如下式所示

扩张状态观察模块；将被控系统所有内部和外部扰动视为一体，扩张出新状态量--总扰动z₂，并对总扰动进行动态估计与反馈补偿；

保留传统ADRC的变增益fal函数，简化一阶ESO结构式为

式中，z₂为观测的总扰动，δ取值为5Ts，Ts为系统离散步长；β₁和β₂为控制器参数；fal函数为误差非线性函数，其具体表达式为

采用ESO来实现总扰动的估计和反馈取代误差积分反馈的作用；

复合状态误差反馈模块；

在SEF中增益由非线性函数fal组成，其结构如下

e₁＝x-z₁

u₀＝k_pfal(e₁,α₃,δ)

式中，u₀为输出控制量，e1为LT输出跟踪信号与ESO反馈信号的误差，kp为增益系数，且α3满足0<α3<1；

对ESO得到的扰动量进行反馈补偿以抵消内外扰动对系统的影响，即

u₁＝u₀-z₂

控制器最终输出为

u＝u₁/b₀

式中，b0为控制量增益，在伺服驱动系统中u为输出的q轴给定电流。

一阶变增益ADRC控制方法，包括以下步骤：

S1 ADRC参数初始化、S2速度给定量更新、S3状态误差反馈ESF、S4反馈补偿、S5输出控制量iq、S6控制对象motor、S7获取实时速度反馈、S8观测扰动量ESO；所述S8观测扰动量ESO将数据传输至S3状态误差反馈ESF以及S4反馈补偿。

基于一阶变增益ADRC控制方法的一阶非线性ADRC控制转速跟踪方法，在Matlab/simulink中搭建算法模型；其中转速环分别采用PI、ADRC控制器对比测试，并且为模拟机械臂实际运行状态，其中速度给定为规划好的一条加速直线，在运行过程中改变负载转矩的大小，观察转速是否能快速跟踪给定转速。

作为上述技术方案的改进，所述对比测试包括：负载突变对比测试以及负载随机扰动对比测试。

本发明的有益效果：

一阶变增益ADRC相当于ADRC的线性化特例。在考虑机械臂实际应用场景的基础下，简化了控制器结构与算法复杂度，同时又保留了ADRC的控制精度、鲁棒性好的优点，使得其特别适合六轴机械臂这种对控制精度要求较高的伺服驱动系统。

采用ESO来实现总扰动的估计和反馈可以取代误差积分反馈的作用，因此可以避免由误差积分反馈所带来的系统动态响应变慢、容易震荡、积分饱和等问题。

附图说明

图1为本发明实施例所述基于一阶变增益ADRC的六轴机械臂控制系统的流程示意图；

图2为本发明实施例所述一阶变增益ADRC程序运行流程图；

图3为本发明实施例所述负载转矩变化图；

图4为本发明实施例所述PMSM转速响应图；

图5为本发明实施例所述突加负载转速响应图；

图6为本发明实施例所述突然卸载转速响应图；

图7为本发明实施例所述负载波动图；

图8为本发明实施例所述负载波动时的转速响应图；

图9为图8中180rpm-250rpm时的转速响应图。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，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，都属于本发明保护的范围。

需要说明的是，当元件被称为“固定于”另一个元件，它可以直接在另一个元件上或者也可以存在居中的元件。当一个元件被认为是“连接”另一个元件，它可以是直接连接到另一个元件或者可能同时存在居中元件。

实施例

如图1所示，本实施例所述基于一阶变增益ADRC的六轴机械臂控制系统，包括一阶变增益ADRC控制器，所述一阶变增益ADRC控制器主要包括以下三个模块：

(1)线性跟踪器(Linear Tracker，LT)

伺服六轴机器臂的转速给定主要由上位机进行路径、速度规划产生，然后通过协议实时下发至伺服驱动系统，理论上不存在速度突变情况。因此为最大限度提高控制器的响应速度，将传统的ADRC的微分器跟踪器舍去，直接输出给定转速，如下式所示

(2) 扩张状态观测器(Extended State Observer，ESO)

作为ADRC核心部分，ESO将被控系统所有内部和外部扰动视为一体，扩张出新状态量--总扰动z2，并用一定方法对总扰动进行动态估计与反馈补偿。ESO不必清楚扰动的精确模型，所以对于参数变化较大的控制系统，可以提高其鲁棒性及抗扰动能力。

保留传统ADRC的变增益fal函数，由于控制器中不存在微分量，因此经过简化一阶ESO结构式为

式中，z2为观测的总扰动，δ可取值为5Ts，Ts为系统离散步长；β1和β2为控制器参数；fal函数为误差非线性函数，具有“小误差大增益，大误差小增益”的特点，其具体表达式为

/>

(3)复合状态误差反馈(State ErrorFeedback，SEF)

在一般的PID控制中，控制器的比例、积分、微分信号采用线性组合的方式，输出控制量u0。通常情况下线性组合并不是最优的控制方式。因此在SEF中增益也由非线性函数fal组成，不考虑其中微分信号，其结构如下

e₁＝x-z₁

u₀＝k_pfal(e₁,α₃,δ)

式中，e1为LT输出跟踪心啊后与ESO反馈信号的误差，kp为增益系数，且α3满足0<α3<1；

最后，还需要将ESO估计得到的扰动量进行反馈补偿，以抵消内外扰动对系统的影响，即

u₁＝u₀-z₂

控制器最终输出为

u＝u₁/b₀

综上，本专利提出一阶变增益ADRC控制器结构如下：

由上述公式可以作出一阶变增益ADRC控制器的结构图如图1所示；由上述结构式和结构图可见，本专利提出的一阶变增益ADRC相当于ADRC的线性化特例。在考虑机械臂实际应用场景的基础下，简化了控制器结构与算法复杂度，同时又保留了ADRC的控制精度、鲁棒性好的优点，使得其特别适合六轴机械臂这种对控制精度要求较高的伺服驱动系统。

实施例2

如图2所示；一阶变增益ADRC控制方法，包括以下步骤：

实施例3

为研究本专利提出的一阶非线性ADRC控制策略及转速跟踪性能改进的有效性，提出基于一阶变增益ADRC控制方法的一阶非线性ADRC控制转速跟踪方法，

在Matlab/simulink中搭建此算法模型。其中转速环分别采用PI、ADRC控制器对比测试，并且为模拟机械臂实际运行状态其中速度给定为规划好的一条加速直线，在运行过程中改变负载转矩的大小，观察转速是否能快速跟踪给定转速。

3.1负载突变对比测试

设定负载转矩变化如图3所示；

图4-图6为在负载突变时，PMSM控制系统分别在ADRC与PI控制时的转速响应图。

仿真中，在1s加负载转矩1N*m，在2s时卸载。可以看到，在加载时，PI控制下的电机转速跌落达到了60rpm，而ADRC控制时转速跌落幅值大大减小，只有20rpm。同样，在卸载时LADRC控制的电机转速幅值也明显小于PI控制时的转速变化。因此，采用本专利提出的ADRC控制器的电机控制系统在负载突变时的动态性能明显优于PI控制。

3.2负载随机扰动对比测试

图7所示为PMSM控制系统稳定运行时，在有持续负载扰动情况下的电机转速与电流响应图。为模拟在实际机械臂运行工况下有可能出现的负载持续干扰情况，在仿真中对电机的负载转矩加入一定频率的扰动信号，

由图8以及图9的转速变化情况可以看出电机在稳态运行时，PI控制的转速波动比较明显，上下幅值最大能达到60rpm；ADRC控制的转速波动较小，最大幅值在10rpm以内。因此本文提出的ADRC在负载扰动时的稳态运行能力优于PI控制。

综上所述，在相同的仿真实验下(给定相同、参数相同)，相较于PI控制器，采用本专利提出的ADRC控制策略的驱动系统可以实现转速的快速无超调跟踪，且具有更好的抗负载扰动能力。

需要说明的是，在本文中，如若存在第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。

以上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精神和范围。

Claims

1.基于一阶变增益ADRC的六轴机械臂控制系统，其特征在于：包括一阶变增益ADRC控制器，所述一阶变增益ADRC控制器包括：

保留传统ADRC的变增益fal函数，简化一阶ESO结构式为

复合状态误差反馈模块；

在SEF中增益由非线性函数fal组成，其结构如下

e₁＝x-z₁

u₀＝k_pfal(e₁,α₃,δ)

u₁＝u₀-z₂

控制器最终输出为

u＝u₁/b₀

2.根据权利要求1所述的基于一阶变增益ADRC的六轴机械臂控制系统，其中的一阶变增益ADRC控制方法包括以下步骤：

3.根据权利要求1所述的基于一阶变增益ADRC的六轴机械臂控制系统，其中的基于一阶变增益ADRC控制转速跟踪方法：在Matlab/simulink中搭建算法模型；其中转速环分别采用PI、ADRC控制器对比测试，并且为模拟机械臂实际运行状态，其中速度给定为规划好的一条加速直线，在运行过程中改变负载转矩的大小，观察转速是否能快速跟踪给定转速。

4.根据权利要求3中所述的基于一阶变增益ADRC的六轴机械臂控制系统，其特征在于：所述对比测试包括：负载突变对比测试以及负载随机扰动对比测试。