输入饱和的机器人固定时间预设性能容错控制
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TP273

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国家重点研发计划项目(2022YFE0204600);国家自然科学基金项目(62473110);辽宁省自然科学基金面上项目(2024-MSBA-80);机器人学国家重点实验室自主课题项目(2025-Z01-05);中国科学院沈阳自动化研究所基础研究计划项目(2022JC3K03).


Prescribed performance-based fixed-time fault-tolerant control for robotic systems with input saturation
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    摘要:

    研究考虑执行器故障与控制输入饱和的不确定机器人系统高性能轨迹跟踪控制问题, 提出一种基于非奇异终端滑模控制框架的固定时间预设性能容错控制器. 首先, 设计一种新颖的固定时间预设性能函数, 同时保证机器人轨迹跟踪位置误差稳态精度与瞬态性能的状态约束要求; 然后, 基于设计的改进预设性能函数与非奇异终端滑模控制策略, 提出一种考虑执行器部分失效故障与输入饱和非线性的固定时间预设性能容错控制方法, 保证闭环系统具有更快的瞬态响应性能、更高的稳态精度以及更强的鲁棒性; 接着, 利用Lyapunov稳定性理论证明机器人轨迹跟踪位置误差的固定时间稳定性, 同时满足设定的预设性能; 最后, 通过双关节机器人仿真算例与实验验证所提出方法的正确性和有效性.

    Abstract:

    This study addresses the high-performance trajectory tracking control problem for uncertain robot systems, taking into account actuator faults and control input saturation. A fixed-time, prescribed-performance, fault-tolerant controller is proposed within the framework of nonsingular terminal sliding mode control. First, a novel fixed-time prescribed performance function is designed to enforce state constraints on both steady-state precision and transient performance of the robot's trajectory tracking position error. Then, a fixed-time prescribed performance fault-tolerant control method, which accounts for actuator partial failure and input saturation nonlinearity, is proposed to ensure faster transient response, higher steady-state accuracy, and improved robustness of the closed-loop system. Additionally, the Lyapunov stability theory is applied to prove that the trajectory tracking position error achieves fixed-time stability and satisfies the prescribed performance. Finally, the effectiveness and correctness of the proposed method are verified through numerical simulations and experiments conducted on a double-jointed robot system.

    参考文献
    相似文献
    引证文献
引用本文

高升,张伟,郭延宁.输入饱和的机器人固定时间预设性能容错控制[J].控制与决策,2025,40(9):2639-2646

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  • 收稿日期:2024-09-06
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  • 在线发布日期: 2025-08-08
  • 出版日期: 2025-09-20
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