一種基於耦合幹擾觀測器的級聯電液伺服系統控制方法及系統與流程
2023-09-15 17:51:30 2
本發明涉及一種可用於級聯電液伺服系統的控制方法，特別是級聯電液伺服驅動多自由度機械臂、起重裝置等機電對象。
背景技術：
目前應用在多自由度機械臂、多關節機器人等機電對象上的控制執行機構一般為電液伺服執行器，由於其能輸出有很高的控制力和力矩。機電對象最常見的驅動模式是全驅動模式。而在全驅動模式中，一般將考慮關節負載作為幹擾量處理，不需要對其進行測量或估計，關節跟蹤控制算法也不包含關節負載的估計值，這樣將導致大動態負載幹擾對關節運動跟蹤的動態響應性能的影響很大，控制精度降低。因此，本專利設計一種耦合幹擾觀測器，估計多自由度機械臂各關節負載，並將估計值應用於級聯電液伺服控制算法中，從而抑制控制變量劇烈惡化，提高大動態負載幹擾情況下級聯電液伺服控制系統的輸出響應性能，並保證系統具有全局穩定性和有界收斂性。
技術實現要素：
本發明的目的是克服目前級聯電液伺服全驅動控制方法的不足，同時適用於高動態負載幹擾的在線估計，可以防止控制變量劇烈惡化，提高級聯電液伺服控制系統的跟蹤動態性能。
本發明的技術方案是一種基於耦合幹擾觀測器的級聯電液伺服系統控制方法，該方法包括：
步驟1：建立級聯電液伺服執行器模型；
建立的級聯電液伺服執行器模型為：
yi＝xi1
i＝1,…n
其中為第i個級聯電液伺服執行器的4階模型狀態變量，yi為第i個液壓缸輸出位移，為第i個輸出位移變化率，pLi為第i個液壓缸輸出的液壓壓力，xvi為第i個伺服閥閥芯位移，mi為第i個負載質量，ps為供油壓力，Ap為對稱缸橫截面積，Ctl為液壓缸總洩漏係數，Vt為液壓缸容積，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，FLi為第i個外負載壓力，Ksv為伺服閥放大係數，Tsv為伺服閥一階響應時間常數,k為反正切函數tanh(·)中指數項係數，ui為第i個伺服閥控制電壓，Tsvi為第i個伺服閥一階響應時間常數，Ksvi為第i個伺服閥放大係數；
步驟2：驅動電液伺服，實時獲取電液伺服的反饋數據，包括：第i個液壓缸輸出位移、第i個液壓缸輸出位移變化率、第i個液壓缸負載壓力、第i個伺服閥閥芯位移，i＝1,…n；
步驟3：利用反饋數據結合系統的狀態誤差計算控制變量；
步驟4：採用耦合幹擾觀測器對機械臂各關節負載進行在線估計；
步驟5：結合反饋數據、系統誤差和負載幹擾估計量計算反步控制律；
步驟6：根據反步控制律對級聯電液伺服機構實時進行驅動。
進一步的，所述步驟3中系統誤差zij(i＝1,…,n,j＝1,…,4)表示為
其中yid表示第i個液壓缸期望位移指令,αij為反步控制律設計中虛擬控制變量，表示為：
其中
kij表示反步控制律中的控制參數，表示第i個伺服閥的耦合幹擾觀測器。
進一步的，所述步驟4中耦合幹擾觀測器表示如下：
其中狀態變化率表示為
耦合幹擾觀測器參數為Kdij＝-Kdji≠0,(i≠j)，即第i個關節負載幹擾估計值不僅與本執行器的狀態變量估計誤差xi2有關，而且也與其他n-1個執行器的狀態變量估計誤差xj2(j＝1,…,n,j≠i)有關。
進一步的，所述步驟5中反步控制律為：
其中i＝1,…,n。
一種採用基於耦合幹擾觀測器的級聯電液伺服系統，該系統為多自由度機械臂對象，包括n個機械連杆，n個電液伺服閥，n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i個連杆與第i+1個連杆之間鉸接，稱為機械臂第i個關節，在關節處設置光電編碼器，用於測量第i個關節的運動角度和角速度，在第i個液壓缸進油口和出油口設置第i個壓力傳感器，測量第i個液壓缸的負載力，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耦合幹擾觀測器與非線性反步控制算法相結合的反步控制設計方法，既能對機械臂多個關節處的動態負載進行實時估計，同時也可以利用伺服閥控制電壓對負載進行有效補償，並約束液壓缸輸出位置誤差，提高級聯電液伺服控制系統的跟蹤動態性能。
附圖說明
圖1為本發明的採用基於耦合幹擾觀測器和反步控制方法的電液伺服驅動級聯機械臂機構示意圖；
圖2為本發明虛擬變量計算順序示意圖；
圖3為本發明一種基於耦合幹擾觀測器的級聯電液伺服控制方法流程圖。
具體實施方式
以下提供本發明一種基於耦合幹擾觀測器和反步控制方法的電液伺服驅動級聯機械臂機構的具體實時方式。
電液伺服執行器的模型為4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)電液伺服執行器建模
採用四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：
i＝1,…n
其中為第i個級聯電液伺服執行器的4階模型狀態變量，yi為第i個液壓缸輸出位移，為第i個輸出位移變化率，pLi為第i個液壓缸輸出的液壓壓力，xvi為第i個伺服閥閥芯位移，mi為第i個負載質量，ps為供油壓力，Ap為對稱缸橫截面積，Ctl為液壓缸總洩漏係數，Vt為液壓缸容積，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，FLi為第i個外負載壓力，Ksv為伺服閥放大係數，Tsv為伺服閥一階響應時間常數,k為反正切函數tanh(·)中指數項係數，ui為第i個伺服閥控制電壓。
2)級聯機械臂關節處產生的負載幹擾觀測器表示如下：
其中為第i個幹擾估計值，為狀態變化率的估計值，Kdij＝-Kdji≠0,(i≠j)為耦合幹擾觀測器參數，實際狀態變化率由測量值xi2微分獲得。
3)基於耦合幹擾觀測器的級聯反步控制律
其中
i＝1,…,n
kij表示反步控制律中的控制參數，系統誤差zij(i＝1,…,n,j＝1,…,4)表示為
yid表示第i個液壓缸期望位移指令,αij為反步控制律設計中虛擬控制變量。
一般的反步控制律設計是一個迭代過程，如圖2所示。每個變量的計算順序為：根據公式(4)可以對α2、α3求導得到變化率然後聯合公式(1)，(2)，(3)，(4)，(5)，(6)得到最終的反步迭代控制律表示為
其中
。