一種存在參數不確定性和負載幹擾的電液伺服控制方法及機械臂與流程
2023-05-30 21:56:56 2
本發明涉及一種可用於非對稱液壓缸執行機構的控制方法，特別是同時存在液壓參數不確定性和外負載幹擾情況下電液伺服執行器的狀態約束控制。
背景技術：
在電液伺服控制系統中同時考慮液壓參數不確定性和外負載動態幹擾，並且對電液伺服系統狀態和系統輸出進行約束。本專利採用比例積分形式的幹擾觀測器與參數自適應估計律相結合的方法同時估計未知液壓參數和外負載幹擾，採用基於障礙李雅普洛夫函數和動態面控制技術的反步控制方法實現非對稱液壓缸左右腔壓力約束和液壓缸位移跟蹤誤差約束，保證系統狀態收斂，同時參數估計和外負載估計收斂，動態面穩定，液壓動態響應性能良好，從而驅動機械臂的關節運動。
技術實現要素：
本發明的目的是克服目前電液伺服控制方法的不足，適用於存在液壓參數不確定性和外負載幹擾情況下的電液伺服執行器狀態約束控制，可以防止控制飽和，並提高電液伺服控制系統的動態跟蹤性能。
本發明的技術方案是一種存在參數不確定性和負載幹擾的電液伺服控制方法，該方法包括：
步驟1：建立非對稱電液伺服執行器模型；
非對稱電液伺服執行器模型為：
y＝x1
其中
y液壓缸輸出位移，為輸出位移變化率，pa和pb為非對稱液壓缸無杆腔和有杆腔壓力，xv為伺服閥閥芯位移，m為負載質量，ps為供油壓力，Aa和Ab為非對稱缸無杆腔和有杆腔的橫截面積，Ctl為液壓缸總洩漏係數，V0a和V0b為非對稱液壓缸無杆腔和有杆腔的初始容積，βe為液壓油有效體積彈性模量，Cd為伺服閥流量係數，w為伺服閥面積梯度，ρ為液壓油密度，K為負載剛度係數，b為液壓油阻尼係數，FL為外負載壓力，Ksv為伺服閥放大係數，Tsv為伺服閥一階響應時間常數,sgn(·)為符號函數，u為伺服閥控制電壓。
由於模型(1)含有1個內部動態，因此定義2個新狀態變量同時需要將模型(1)轉換為嚴格反饋模型形式如下：
其中θ1＝b，θ2＝βe，θ3＝βeCtl，為4個未知不確定液壓參數，
f21(x1)＝-Kx1/m f22(x2)＝-x2/m
g2＝Aa/m d(t)＝-FL(t)/m
f31(x1,x2)＝-(h1Aa+h2Abυ)x2/βe
f32(x1,x3,x4)＝-(x3-x4)(h1+h2)/βe
g4＝Ksv/Tsv
其中υ表示液壓缸無杆腔與有杆腔面積之比，υ＝Ab/Aa。
步驟2：驅動電液伺服，實時獲取電液伺服的反饋數據：液壓缸輸出位移、液壓缸輸出位移變化率、液壓缸無杆腔和有杆腔的壓力、伺服閥閥芯位移；
步驟3：採用高增益幹擾觀測器對外負載幹擾進行估計；
步驟4：採用參數自適應估計律對液壓未知常參數進行估計；
步驟5：採用動態面控制計算反步控制中的虛擬控制變量；
步驟6：基於障礙李雅普洛夫函數，並結合反饋數據、系統誤差和、參數自適應估計值和負載幹擾估計量計算反步控制律；
步驟7：根據反步控制律對非對稱電液伺服機構實時進行驅動。
進一步的，所述步驟3中高增益幹擾觀測器對外負載幹擾進行估計如下：
其中和為負載幹擾d和未知參數θ1的估計值，Kd為觀測器增益。
進一步的，所述步驟4中參數自適應估計律設計如下：
首先，系統誤差zi(i＝1,…,4)表示為
其中yd表示液壓缸期望位移指令,αi(i＝1,2,3)為反步控制律設計中虛擬控制變量；
其次，參數自適應估計律表示為：
其中為4個未知液壓參數的估計值，為的初始值，kθi(i＝1,…,4)為參數自適應估計律增益，ηi(i＝1,…,4)為設定的正常數，
ka1和kb1為系統誤差z3的左右約束邊界。
進一步的，所述步驟5中動態面設計如下：
其中βi(i＝1,…,3)為動態面穩定函數，τi(i＝1,…,3)為動態面時間常數；
動態面誤差表示為Si＝αi-βi(i＝1,…,3)，虛擬控制量微分表示為動態面穩定函數βi(i＝1,…,3)進一步表示為：
其中表示輸出誤差z1的約束邊界，ki(i＝1,2,3)表示控制增益，
進一步的，所述步驟6中反步控制律設計如下：
首先，考慮系統狀態約束條件如下：
其中kc1為輸出誤差z1的約束邊界，ka1和kb1為系統誤差z3的左右約束邊界，表示為：
ka1＝(υ+1)ps-pr，kb1＝ps-(υ+1)pr
其中υ表示液壓缸無杆腔與有杆腔面積之比，ps表示系統供油壓力，pr表示系統回油壓力；
基於障礙李雅普洛夫函數，構建系統的能量函數為：
則狀態約束反步控制律u表示為：
其中k4表示控制增益，τi(i＝1,…,3)為動態面時間常數。
一種應用存在參數不確定性和負載幹擾的電液伺服控制方法的機械臂，該機械臂包括：3個機械連杆，包括：第一連杆、第二連杆、第三連杆，2個電液伺服閥，2個雙作用液壓缸，1個伺服電機，1個定量柱塞泵，1個油箱；其中第一連杆與第二連杆之間鉸接，稱該處為肩關節，第二連杆與第三連杆鉸接，稱該處為肘關節；肩關節與肘關節處分別設置一個電液伺服閥與雙作用液壓缸；整個機械臂設置1個伺服電機、1個定量柱塞泵和1個油箱；第二連杆與第三連杆上分別設置一光電編碼器，用於測量兩個關節的運動角度和角速度；在兩個液壓缸進油口和出油口各設置1個壓力傳感器，測量液壓缸的負載力，在定量柱塞泵出口安裝1個壓力表，監測系統的供油壓力。
本發明的目的之三是提出基於障礙利亞普洛夫函數和動態面設計技術的狀態約束控制方法，結合高增益負載幹擾觀測器和參數自適應估計律，既能對對液壓4個不確定參數進行估計，同時也可以對時變的外負載幹擾進行估計，而且利用動態面設計規避了對反步控制律中的虛擬控制量進行直接微分解算，防止出現微分爆炸現象，將輸出位移跟蹤誤差和液壓缸無杆腔和有杆腔的壓力約束到預定的指標邊界以內，提高了電液伺服系統的動態性能。
附圖說明
圖1為本發明的採用存在液壓參數不確定性和負載幹擾情況下電液伺服執行器狀態約束控制方法的二自由度機械臂機構示意圖；
圖2為本發明一種存在液壓參數不確定性和負載幹擾情況下電液伺服執行器狀態約束控制方法方案圖。
具體實施方式
以下提供本發明一種存在液壓參數不確定性和負載幹擾情況下電液伺服執行器狀態約束控制驅動二自由度機械臂的具體實時方式。
非對稱電液伺服執行器的模型為5階模型，不考慮機械臂機構運動的模型，機械臂運動所需要的關節力矩作為電液伺服執行器的負載幹擾考慮，簡述如下：
1)非對稱電液伺服執行器模型電液伺服執行器建模
採用五階模型描述伺服閥驅動液壓缸迴路的電液伺服執行器模型如下：
y＝x1
其中
xi(i＝1,…,4)為模型狀態變量，y液壓缸輸出位移，為輸出位移變化率，pa和pb為非對稱液壓缸無杆腔和有杆腔壓力，xv為伺服閥閥芯位移，m為負載質量，ps為供油壓力，Aa和Ab為非對稱缸無杆腔和有杆腔的橫截面積，Ctl為液壓缸總洩漏係數，V0a和V0b為非對稱液壓缸無杆腔和有杆腔的初始容積，βe為液壓油有效體積彈性模量，Cd為伺服閥流量係數，w為伺服閥面積梯度，ρ為液壓油密度，K為負載剛度係數，b為液壓油阻尼係數，FL為外負載壓力，Ksv為伺服閥放大係數，Tsv為伺服閥一階響應時間常數,sgn(·)為符號函數，u為伺服閥控制電壓。
由於模型(1)含有1個內部動態，因此定義2個新狀態變量同時需要將模型(1)轉換為嚴格反饋模型形式如下：
其中θ1＝b，θ2＝βe，θ3＝βeCtl，為4個未知不確定液壓參數，
f31(x1,x2)＝-(h1Aa+h2Abα)x2/βe
f32(x1,x3,x4)＝-(x3-x4)(h1+h2)/βe
2)高增益負載幹擾觀測器表述為：
其中和為負載幹擾d和未知參數θ1的估計值，Kd為觀測器增益。
3)參數自適應估計律表示為：
其中為4個未知液壓參數的估計值，為的初始值，kθi(i＝1,…,4)為參數自適應估計律增益，ηi(i＝1,…,4)為設定的正常數，
系統誤差zi(i＝1,…,4)表示為
其中yd表示液壓缸期望位移指令,αi(i＝1,2,3)為反步控制律設計中虛擬控制變量。
4)虛擬控制變量αi(i＝1,…,3)的動態面設計如下：
其中βi(i＝1,…,3)為動態面穩定函數，τi(i＝1,…,3)為動態面時間常數。
動態面誤差表示為Si＝αi-βi(i＝1,…,3)，虛擬控制量微分表示為動態面穩定函數βi(i＝1,…,3)進一步表示為：
5)基於障礙李雅普洛夫函數的狀態約束反步控制律u表示為：