基于自适应扩张状态观测器的柔性机构模型参数估计方法

本发明涉及一种柔性机构模型参数的估计方法，具体涉及一种基于自适应扩张状态观测器的柔性机构模型参数估计方法。

背景技术：

1、在柔性机构控制器设计中，模型参数需要预先已知；然而，在实际工程中，模型参数通常是未知的。因此，在控制器设计之前，需要对模型参数进行估计，从而实现对柔性机构控制器的设计。

2、现有模型参数估计方法一般有两种，一种是参数辨识方法，由于柔性机构中存在未测量状态函数和刚柔耦合函数，该方法不能同时估计上述函数的相关参数，导致不适用于柔性机构的模型参数估计；一种是基于自适应状态观测器的模型参数估计方法，然而该方法未考虑系统未建模动态和未知扰动对参数估计的影响，当系统受到未知扰动时，参数估计精度不能得到保证。

技术实现思路

1、本发明的目的是解决现有技术中的参数辨识方法不能同时估计柔性机构中存在未测量状态函数和刚柔耦合函数，不适用于柔性机构的模型参数估计；而基于自适应状态观测器的模型参数估计方法未考虑系统未建模动态和未知扰动对参数估计的影响，当系统受到未知扰动时，参数估计精度不能得到保证的技术问题，提供一种基于自适应扩张状态观测器的柔性机构模型参数估计方法。

2、为实现上述目的，本发明所采用的技术方案为：

3、一种基于自适应扩张状态观测器的柔性机构模型参数估计方法，其特殊之处在于，包括以下步骤：

4、步骤1、建立需要参数估计的柔性机构的动力学模型；

5、步骤2、基于柔性机构的动力学模型，设计如下的自适应扩张状态观测器：

6、；

7、式中：、和均为柔性机构的旋转动力学状态，为柔性机构的旋转角度，为柔性机构的旋转角速度，为柔性机构旋转动力学的未建模动态和未知扰动；、和均为柔性机构的变形动力学状态，为柔性机构的变形角度，为柔性机构的变形角速度，为柔性机构变形动力学的未建模动态和未知扰动；其中，和为系统的测量状态，、、和为系统的未测量状态；为旋转动力学关于状态和的函数；为旋转动力学关于状态和的函数；为变形动力学关于状态和的函数；为变形动力学关于状态和的函数；为函数未知的模型参数；为函数未知的模型参数；为函数未知的模型参数；为函数未知的模型参数；为柔性机构的输入信号；为旋转动力学的输入增益，为变形动力学的输入增益；、和分别为旋转动力学状态、和的估计值；、和分别为变形动力学状态、和的估计值；、和为模型参数、和的估计值；、和为模型参数、和的估计值；和均为带宽参数，，；、、、、和均为设计参数；

8、步骤3、基于自适应扩张状态观测器设计如下的自适应律：

9、；

10、式中：为旋转动力学状态的估计误差，；为变形动力学状态的估计误差，；为可调参数, ,；

11、步骤4、对柔性机构持续施加输入信号；

12、步骤5、分别设置设计参数、和，以及、和，使其均满足赫尔维兹条件；

13、步骤6、设置自适应扩张状态观测器的带宽参数和，并调整可调参数和，使得自适应扩张状态观测器模型参数和状态估计的快速性、超调量和噪声情况满足期望效果；

14、步骤7、通过自适应扩张状态观测器对柔性机构的模型参数和状态进行估计，获取模型参数、和的估计值、和，模型参数、和的估计值、和，旋转动力学状态、和的估计值、和，以及变形动力学状态、和的估计值、和，实现柔性机构的模型参数和状态估计。

15、进一步地，步骤1具体为：

16、步骤1.1、建立初始需要参数估计的柔性机构的动力学模型；

17、步骤1.2、将柔性机构的旋转动力学未建模动态和未知扰动扩张为一个旋转动力学状态，，旋转动力学状态关于时间的导数定义为；将柔性机构的变形动力学未建模动态和未知扰动扩张为一个变形动力学状态，，变形动力学状态关于时间的导数定义为；

18、步骤1.3、基于初始需要参数估计的柔性机构的动力学模型，以及、、和，建立最终需要参数估计的柔性机构的动力学模型。

19、进一步地，步骤1.1中，初始需要参数估计的柔性机构的动力学模型如下所示：

20、；

21、步骤1.3中，最终需要参数估计的柔性机构的动力学模型如下所示：

22、。

23、进一步地，步骤1.1中，需要参数估计的柔性机构为单连杆柔性机械臂，其动力学模型如下所示：

24、；

25、式中：为单连杆柔性机械臂的伺服角度，；为单连杆柔性机械臂的角速度，；为单连杆柔性机械臂的连杆变形角度，；为单连杆柔性机械臂的连杆变形角速度，；

26、步骤1.3中，最终需要参数估计的柔性机构的动力学模型如下所示：

27、；

28、步骤2中，自适应扩张状态观测器为：

29、；

30、步骤3中，自适应律为：

31、。

32、进一步地，步骤5中，赫尔维兹条件如下所示：

33、；

34、式中：为拉普拉斯算子。

35、与现有技术相比，本发明的有益效果是：

36、本发明与传统频域和时域参数辨识方法相比，不仅能够对模型参数进行实时估计，并且能够同时估计系统的测量状态和未测量状态；

37、本发明与递推最小二乘和自适应状态观测器方法相比，考虑了系统未建模动态和未知扰动对模型参数估计的影响，能够通过设计参数减小上述因素对模型参数估计的影响，并且能够对上述因素进行实时估计；

38、本发明与神经网络等新型参数估计方法相比，理论结构简单，可调参数的物理意义明确，易于工程实现。

技术特征：

1.一种基于自适应扩张状态观测器的柔性机构模型参数估计方法，其特征在于，包括以下步骤：

2.根据权利要求1所述的基于自适应扩张状态观测器的柔性机构模型参数估计方法，其特征在于，步骤1具体为：

3.根据权利要求2所述的基于自适应扩张状态观测器的柔性机构模型参数估计方法，其特征在于：

4.根据权利要求3所述的基于自适应扩张状态观测器的柔性机构模型参数估计方法，其特征在于：

5.根据权利要求1-4任一所述的基于自适应扩张状态观测器的柔性机构模型参数估计方法，其特征在于：

技术总结本发明属于控制系统领域，具体涉及基于自适应扩张状态观测器的柔性机构模型参数估计方法。该方法包括以下步骤：1、建立需要参数估计的柔性机构的动力学模型；2、基于柔性机构的动力学模型，设计自适应扩张状态观测器；3、基于自适应扩张状态观测器设计自适应律；4、对柔性机构持续施加输入信号；5、设置设计参数使其满足赫尔维兹条件；6、设置自适应扩张状态观测器的带宽参数并调整可调参数；7、通过自适应扩张状态观测器对柔性机构的模型参数和状态进行估计，获取模型参数、旋转动力学状态和变形动力学状态的估计值。本发明能够对模型参数、测量状态和未测量状态同时进行估计。技术研发人员：井峰,马彩文,谢梅林,王帆,刘鹏,曹钰,范潇受保护的技术使用者：中国科学院西安光学精密机械研究所技术研发日：技术公布日：2024/7/15