本发明提供一种机械臂系统的二重相位超前补偿迭代学习控制方法，包括如下步骤：建立二重相位超前补偿迭代学习律，根据机械臂系统模型的收敛条件确定二重相位超前补偿阶次，再根据二重相位超前补偿阶次的取值确定二重相位超前补偿阶次的修正值；计算z域超前相位补偿误差的逆变换，并将其代入二重相位超前补偿迭代学习律，得到再一次迭代时系统输入；将第再一次系统输入加载到机械臂系统模型得到相应的系统输出，并计算迭代学习控制跟踪误差，同时判断迭代学习控制跟踪误差是否达到迭代学习控制跟踪误差容许精度，如果达到，则停止迭代，否则进行下一轮迭代。本发明方法不仅提高系统瞬态学习性能，扩展系统的学习带宽，而且能扩展ILC学习增益的调节范围。