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申请/专利权人：淮阴工学院

摘要：本发明公开了一种基于命令滤波器的单连杆机械臂预定时间控制方法，包括：根据单连杆机械臂的动力学模型，得到具有状态约束的非线性系统的状态方程；确定控制目标；根据状态方程设计误差变量，并基于命令滤波器反步控制方法进行递推设计，设计虚拟控制变量、实际控制变量、一阶滤波器和误差补偿变量；构建预定性能障碍Lyapunov函数V，验证设计的变量是否满足预定时间稳定性判据；对设计的控制方案进行稳定性证明、性能指标分析。与现有技术相比，本发明避免了传统反步设计过程中对虚拟控制律重复求导所引起的“复杂性爆炸”问题，进一步消除了滤波过程中产生的误差，实现单连杆机械臂在预定时间内跟踪给定轨迹，且跟踪误差在预设范围之内。

主权项：1.一种基于命令滤波器的单连杆机械臂预定时间控制方法，其特征在于，基于命令滤波器的状态约束非线性系统的全局预定时间控制和预设性能控制策略，包括以下步骤：步骤1：利用欧拉-拉格朗日动力学模型描述单连杆机械臂的动力学方程，根据动力学方程得到具有状态约束的非线性系统的状态方程；1单连杆机械臂动力学方程为： 其中，J表示转子惯性，分别为单连杆机械臂连杆的角位置、角速度、角加速度，m,M0分别是连杆质量和负载质量，L0,R0分别代表连杆长度和负载半径，I,L,R分别为单连杆机械臂电机的电枢电流、电枢电感和电枢电阻，G,B0,Kτ,KB分别表示重力系数、粘性摩擦系数、转换系数和反电动势系数，V0表示输入电压；2根据动力学方程公式得到具有状态约束的非线性系统的状态方程为： 其中，y∈R表示系统输出；V0∈R表示控制输入；已知光滑连续项；所有的状态变量满足不等式关系为：Cq1,Cq2,CI＞0均为待设计参数；步骤2：依据状态方程及状态约束条件，确定所设计控制方案的控制目标为：保证闭环系统中所有变量在预定时间内收敛到零，且跟踪控制性能在预定时间内满足预先设定的性能指标；设计控制方案的控制目标为：目标1：确保闭环系统中的所有信号的全局预定时间稳定性，其中预定时间ts可以根据设计参数任意选择；目标2：输出信号yt在预定时间ts内实现期望轨迹ybt的预先指定的跟踪，其不受任何系统参数或初始条件的影响；目标3：可以满足所需的预设性能指标，同时确保所有状态变量不违反约束条件；步骤3：根据非线性系统的状态方程设计误差变量，并基于命令滤波器反步方法进行递推设计，根据步骤2的控制目标设计虚拟控制变量、实际控制输入、一阶滤波器和误差补偿变量；步骤4：设计预定时间性能函数PTPF，结合障碍Lyapunov函数BLF构建预定性能障碍Lyapunov函数V，对函数V进行求导，并将所设计的虚拟控制变量、实际控制输入、一阶滤波器和误差补偿变量代入，验证其是否满足预定时间稳定性判据其中为时变函数，ts为预定时间，为标量且满足若满足，则所设计控制方案能够实现整个闭环系统的全局预定时间稳定；若不满足，需要重新设计控制变量、实际控制输入、一阶滤波器和误差补偿变量，直至不等式成立；步骤5：根据Lyapunov稳定性理论对所设计的全局预定时间收敛控制方案进行稳定性分析，证明步骤3和步骤4的方法能够保证整个闭环系统的控制轨迹在预定时间内全局收敛，且满足预先设定的性能指标。

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