本發(fā)明涉及一種可用于級聯(lián)電液伺服系統(tǒng)的控制方法，特別是級聯(lián)電液伺服驅(qū)動多自由度機(jī)械臂、起重裝置等機(jī)電對象。

背景技術(shù)：

目前應(yīng)用在多自由度機(jī)械臂、多關(guān)節(jié)機(jī)器人等機(jī)電對象上的控制執(zhí)行機(jī)構(gòu)一般為電液伺服執(zhí)行器，由于其能輸出有很高的控制力和力矩。機(jī)電對象最常見的驅(qū)動模式是全驅(qū)動模式。而在全驅(qū)動模式中，一般將考慮關(guān)節(jié)負(fù)載作為干擾量處理，不需要對其進(jìn)行測量或估計(jì)，關(guān)節(jié)跟蹤控制算法也不包含關(guān)節(jié)負(fù)載的估計(jì)值，這樣將導(dǎo)致大動態(tài)負(fù)載干擾對關(guān)節(jié)運(yùn)動跟蹤的動態(tài)響應(yīng)性能的影響很大，控制精度降低。因此，本專利設(shè)計(jì)一種耦合干擾觀測器，估計(jì)多自由度機(jī)械臂各關(guān)節(jié)負(fù)載，并將估計(jì)值應(yīng)用于級聯(lián)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(tài)負(fù)載干擾情況下級聯(lián)電液伺服控制系統(tǒng)的輸出響應(yīng)性能，并保證系統(tǒng)具有全局穩(wěn)定性和有界收斂性。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的是克服目前級聯(lián)電液伺服全驅(qū)動控制方法的不足，同時適用于高動態(tài)負(fù)載干擾的在線估計(jì)，可以防止控制變量劇烈惡化，提高級聯(lián)電液伺服控制系統(tǒng)的跟蹤動態(tài)性能。

本發(fā)明的技術(shù)方案是一種基于耦合干擾觀測器的級聯(lián)電液伺服系統(tǒng)控制方法，該方法包括：

步驟1：建立級聯(lián)電液伺服執(zhí)行器模型；

建立的級聯(lián)電液伺服執(zhí)行器模型為：

y_i＝x_i1

i＝1,…n

其中為第i個級聯(lián)電液伺服執(zhí)行器的4階模型狀態(tài)變量，y_i為第i個液壓缸輸出位移，為第i個輸出位移變化率，p_Li為第i個液壓缸輸出的液壓壓力，x_vi為第i個伺服閥閥芯位移，m_i為第i個負(fù)載質(zhì)量，p_s為供油壓力，A_p為對稱缸橫截面積，C_tl為液壓缸總泄漏系數(shù)，V_t為液壓缸容積，β_e為液壓油有效體積彈性模量，C_d為伺服閥流量系數(shù)，w為伺服閥面積梯度，ρ為液壓油密度，K為負(fù)載剛度系數(shù)，b為液壓油阻尼系數(shù)，F(xiàn)_Li為第i個外負(fù)載壓力，K_sv為伺服閥放大系數(shù)，T_sv為伺服閥一階響應(yīng)時間常數(shù),k為反正切函數(shù)tanh(·)中指數(shù)項(xiàng)系數(shù)，u_i為第i個伺服閥控制電壓，T_svi為第i個伺服閥一階響應(yīng)時間常數(shù)，K_svi為第i個伺服閥放大系數(shù)；

步驟2：驅(qū)動電液伺服，實(shí)時獲取電液伺服的反饋數(shù)據(jù)，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(fù)載壓力、第i個伺服閥閥芯位移，i＝1,…n；

步驟3：利用反饋數(shù)據(jù)結(jié)合系統(tǒng)的狀態(tài)誤差計(jì)算控制變量；

步驟4：采用耦合干擾觀測器對機(jī)械臂各關(guān)節(jié)負(fù)載進(jìn)行在線估計(jì)；

步驟5：結(jié)合反饋數(shù)據(jù)、系統(tǒng)誤差和負(fù)載干擾估計(jì)量計(jì)算反步控制律；

步驟6：根據(jù)反步控制律對級聯(lián)電液伺服機(jī)構(gòu)實(shí)時進(jìn)行驅(qū)動。

進(jìn)一步的，所述步驟3中系統(tǒng)誤差z_ij(i＝1,…,n,j＝1,…,4)表示為

其中y_id表示第i個液壓缸期望位移指令,α_ij為反步控制律設(shè)計(jì)中虛擬控制變量，表示為：

其中

k_ij表示反步控制律中的控制參數(shù)，表示第i個伺服閥的耦合干擾觀測器。

進(jìn)一步的，所述步驟4中耦合干擾觀測器表示如下：

其中狀態(tài)變化率表示為

耦合干擾觀測器參數(shù)為K_dij＝-K_dji≠0,(i≠j)，即第i個關(guān)節(jié)負(fù)載干擾估計(jì)值不僅與本執(zhí)行器的狀態(tài)變量估計(jì)誤差x_i2有關(guān)，而且也與其他n-1個執(zhí)行器的狀態(tài)變量估計(jì)誤差x_j2(j＝1,…,n,j≠i)有關(guān)。

進(jìn)一步的，所述步驟5中反步控制律為：

其中i＝1,…,n。

一種采用基于耦合干擾觀測器的級聯(lián)電液伺服系統(tǒng)，該系統(tǒng)為多自由度機(jī)械臂對象，包括n個機(jī)械連桿，n個電液伺服閥，n個雙作用液壓缸，1個伺服電機(jī)，1個定量柱塞泵，1個油箱；其中第i個連桿與第i+1個連桿之間鉸接，稱為機(jī)械臂第i個關(guān)節(jié)，在關(guān)節(jié)處設(shè)置光電編碼器，用于測量第i個關(guān)節(jié)的運(yùn)動角度和角速度，在第i個液壓缸進(jìn)油口和出油口設(shè)置第i個壓力傳感器，測量第i個液壓缸的負(fù)載力，在定量柱塞泵出口安裝1個壓力表，監(jiān)測系統(tǒng)的供油壓力。

本發(fā)明的目的之三是提出耦合干擾觀測器與非線性反步控制算法相結(jié)合的反步控制設(shè)計(jì)方法，既能對機(jī)械臂多個關(guān)節(jié)處的動態(tài)負(fù)載進(jìn)行實(shí)時估計(jì)，同時也可以利用伺服閥控制電壓對負(fù)載進(jìn)行有效補(bǔ)償，并約束液壓缸輸出位置誤差，提高級聯(lián)電液伺服控制系統(tǒng)的跟蹤動態(tài)性能。

附圖說明

圖1為本發(fā)明的采用基于耦合干擾觀測器和反步控制方法的電液伺服驅(qū)動級聯(lián)機(jī)械臂機(jī)構(gòu)示意圖；

圖2為本發(fā)明虛擬變量計(jì)算順序示意圖；

圖3為本發(fā)明一種基于耦合干擾觀測器的級聯(lián)電液伺服控制方法流程圖。

具體實(shí)施方式

以下提供本發(fā)明一種基于耦合干擾觀測器和反步控制方法的電液伺服驅(qū)動級聯(lián)機(jī)械臂機(jī)構(gòu)的具體實(shí)時方式。

電液伺服執(zhí)行器的模型為4階模型，不考慮機(jī)械臂機(jī)構(gòu)運(yùn)動的模型，機(jī)械臂運(yùn)動所需要的關(guān)節(jié)力矩作為電液伺服執(zhí)行器的負(fù)載干擾考慮，簡述如下：

1)電液伺服執(zhí)行器建模

采用四階模型描述伺服閥驅(qū)動液壓缸回路的電液伺服執(zhí)行器模型如下：

i＝1,…n

其中為第i個級聯(lián)電液伺服執(zhí)行器的4階模型狀態(tài)變量，y_i為第i個液壓缸輸出位移，為第i個輸出位移變化率，p_Li為第i個液壓缸輸出的液壓壓力，x_vi為第i個伺服閥閥芯位移，m_i為第i個負(fù)載質(zhì)量，p_s為供油壓力，A_p為對稱缸橫截面積，C_tl為液壓缸總泄漏系數(shù)，V_t為液壓缸容積，β_e為液壓油有效體積彈性模量，C_d為伺服閥流量系數(shù)，w為伺服閥面積梯度，ρ為液壓油密度，K為負(fù)載剛度系數(shù)，b為液壓油阻尼系數(shù)，F(xiàn)_Li為第i個外負(fù)載壓力，K_sv為伺服閥放大系數(shù)，T_sv為伺服閥一階響應(yīng)時間常數(shù),k為反正切函數(shù)tanh(·)中指數(shù)項(xiàng)系數(shù)，u_i為第i個伺服閥控制電壓。

2)級聯(lián)機(jī)械臂關(guān)節(jié)處產(chǎn)生的負(fù)載干擾觀測器表示如下：

其中為第i個干擾估計(jì)值，為狀態(tài)變化率的估計(jì)值，K_dij＝-K_dji≠0,(i≠j)為耦合干擾觀測器參數(shù)，實(shí)際狀態(tài)變化率由測量值x_i2微分獲得。

3)基于耦合干擾觀測器的級聯(lián)反步控制律

其中

i＝1,…,n

k_ij表示反步控制律中的控制參數(shù)，系統(tǒng)誤差z_ij(i＝1,…,n,j＝1,…,4)表示為

y_id表示第i個液壓缸期望位移指令,α_ij為反步控制律設(shè)計(jì)中虛擬控制變量。

一般的反步控制律設(shè)計(jì)是一個迭代過程，如圖2所示。每個變量的計(jì)算順序?yàn)椋焊鶕?jù)公式(4)可以對α₂、α₃求導(dǎo)得到變化率然后聯(lián)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

。