本發明涉及深海機器人電機控制，更具體地，涉及一種深海機器人驅動電機抗擾立方滑模位置控制方法。
背景技術：
1、近年來，隨著工業與智能制造領域的快速發展，永磁同步電機憑借其高功率密度、高效率以及卓越的動態響應性能，已成為深海機器人等高端裝備伺服驅動系統的首選。深海機器人作業設備的動態響應速度和穩態跟蹤精度，直接決定了深海探測與作業的質量。
2、然而，在深海復雜惡劣的作業環境中，深海機器人驅動電機的位置伺服系統常面臨嚴峻的挑戰：例如機械臂抓取重物時引起的轉動慣量突變、傳動機構中的非線性摩擦，以及深層洋流帶來的未知外部負載擾動等。傳統的比例-積分-微分控制由于參數固定，若為了追求更快的響應速度而增大增益，極易導致系統超調；反之，若減小增益以求平穩運行，則在系統跟蹤連續軌跡時會導致嚴重的相位滯后與穩態誤差。
3、滑?？刂埔蚱鋸婔敯粜员粡V泛應用，但傳統線性滑模或高階滑模常面臨奇異性或系統抖振問題。為了增強系統的抗擾動能力，現有技術常引入非線性觀測器或擴張狀態觀測器，但這些傳統觀測器通常采用不連續的符號函數sgn以追求快速估計，這就不可避免地引入了高頻噪聲。因此，現有系統往往被迫串聯低通濾波器lpf來消除噪聲，但這又不可避免地引發了相位延遲，嚴重降低了電機位置系統的跟蹤性能。
4、因此需要提出一種新的方案來解決上述問題。
技術實現思路
1、本發明的目的在于克服上述現有技術的不足，提供一種深海機器人驅動電機抗擾立方滑模位置控制方法。
2、為了實現上述目的，本發明采用如下技術方案：
3、一種深海機器人驅動電機抗擾立方滑模位置控制方法，包括如下步驟：
4、步驟s1，獲取深海機器人驅動電機實際運行參數，基于電機動力學重構包含系統參數攝動與負載擾動的廣義集總擾動；
5、步驟s2，基于雙曲正切函數構建集總擾動觀測器，根據轉子角速度估計誤差，實時估計電機在深海作業工況下的廣義集總擾動；
6、步驟s3，基于轉子位置跟蹤誤差，構建包含誤差線性項與誤差立方項的立方非線性滑模面，以提供變阻尼自適應調節能力；
7、步驟s4，基于飽和限幅函數設計滑模趨近律，并結合廣義集總擾動估計值進行前饋補償，計算得到最終的q軸電流控制指令，以驅動深海機器人電機按目標位置運行；
8、步驟s5，基于李雅普諾夫穩定性理論確定集總擾動觀測器的魯棒增益系數以及滑?？刂破鞯那袚Q增益條件，確保整個位置控制系統的漸近穩定。
9、進一步的，在步驟s1中，廣義集總擾動的重構過程包括：
10、步驟s11，建立電機位置伺服系統的標稱系統動力學方程；
11、步驟s12，將實際轉動慣量與粘滯摩擦系數表示為標稱值與擾動值之和，構建廣義集總擾動；
12、步驟s13，基于廣義集總擾動、標稱轉動慣量、標稱粘滯摩擦系數，重構標稱系統動力學方程。
13、進一步的，在步驟s2中，集總擾動觀測器的構建過程包括：
14、步驟s21，定義轉子角速度估計值，結合標稱轉動慣量、標稱粘滯摩擦系數、實際轉子角速度、廣義集總擾動的估計值以及對應的q軸電流，建立基于電機位置系統動力學方程的速度觀測器模型；
15、步驟s22，定義轉子角速度估計誤差，引入魯棒增益系數與線性寬度參數，設計基于雙曲正切函數的非線性誤差注入律；
16、步驟s23，基于非線性誤差注入律，建立閉環誤差動態方程。
17、進一步的，在步驟s3中，立方非線性滑模面的構建過程包括：
18、步驟s31，基于當前轉子參考位置與實際位置，定義位置跟蹤誤差；
19、步驟s32，基于位置跟蹤誤差、線性項系數、立方項系數，建立立方非線性滑模面方程；
20、步驟s33，對立方非線性滑模面方程進行求導，得到滑動變量的動態方程，并定義用于根據誤差大小實時調整系統阻尼幅值的阻尼系數。
21、進一步的，在步驟s4中，基于飽和限幅函數設計滑模趨近律的具體過程包括：
22、步驟s41，基于切換增益、線性反饋增益、邊界層厚度，建立帶有飽和限幅特性的趨近律；
23、步驟s42，構建飽和限幅函數，其定義為：
24、當時，，由固定切換增益驅動系統狀態快速趨近滑模面；
25、當時，，轉化為純線性反饋控制，消除高頻切換震蕩。
26、進一步的，在步驟s4中，計算得到最終的q軸電流控制指令的過程包括：
27、步驟1，將標稱系統動力學方程代入滑動變量的動態方程，等式兩邊同乘標稱轉動慣量；
28、步驟2，令系統動態嚴格跟隨設計的飽和限幅趨近律；
29、步驟3，利用集總擾動觀測器輸出的估計值對未知廣義集總擾動進行等效前饋補償，設計最終的交軸電流指令控制律。
30、進一步的，在步驟s5中，基于李雅普諾夫穩定性理論確定集總擾動觀測器魯棒增益系數的條件為：
31、構建關于角速度估計誤差的李雅普諾夫函數，由于深海作業中廣義集總擾動有界，滿足，選取魯棒增益系數，滿足，以保證導數，使觀測器系統滿足穩定性要求；其中，為廣義集總擾動的上界；為轉子角速度估計誤差。
32、進一步的，在步驟s5中，基于李雅普諾夫穩定性理論確定滑模控制器切換增益的條件為：
33、定義觀測器殘存的估計誤差；構建系統李雅普諾夫函數，選取切換增益，滿足，確保始終成立，保證在觀測器快速跟蹤補償擾動后，滑?？刂葡到y全局漸近穩定；其中，為廣義集總擾動；為廣義集總擾動的估計值；為李雅普諾夫函數對時間的導數；為滑模趨近律中的線性反饋增益；為滑模面。
34、進一步的，方法還包括：在深海機器人驅動電機運行時，將實際三相電流經坐標變換得到d/q軸反饋電流，將q軸反饋電流與轉子角速度輸入集總擾動觀測器，將參考位置、實際位置、實際角速度及廣義集總擾動的估計值輸入立方非線性滑模控制器，計算輸出q軸電流指令，并經電流內環pi調節、坐標逆變換及電壓調制后驅動逆變器，使電機按目標位置運行。
35、本發明的有益效果是：
36、1.本發明中對深海機器人復雜工況下存在的轉動慣量突變、非線性摩擦及未知洋流負載設計了基于雙曲正切函數集總擾動觀測器，同時平滑了傳統觀測器中的不連續符號函數sgn切換過程，抑制了高頻噪聲。在無需串聯傳統的低通濾波器lpf，實現了對集總擾動的精準估計與前饋補償。
37、2.本發明構建了包含誤差線性項與誤差立方項的立方非線性滑模面，當深海機器人機械臂抓取重物產生較大的初始位置誤差時，系統由立方項主導，提供強烈的非線性恢復力，驅動系統狀態快速收斂；而當誤差趨于零時，立方項迅速衰減并由高阻尼的線性項主導，確保了系統平滑進入穩態，完美克服了傳統比例積分控制中為了追求響應速度而引發的巨大超調問題。
38、3.本發明采用飽和限幅函數替代了傳統滑模控制中的符號函數趨近律，當系統狀態遠離滑模面時采用固定增益快速趨近，而一旦進入滑模邊界層內部，系統自動平滑過渡為純線性反饋控制。這一機制從根本上消除了控制電流中的高頻開關抖振。避免了電機傳動齒輪和機械關節的高頻磨損，顯著增強了位置伺服系統的魯棒性。
39、4.本發明方法不僅適用于深海機器人電驅系統，還可推廣至電動汽車、工業伺服及風力發電等場景。