CN107882795B

CN107882795B - 一种高集成性阀控缸力控系统动态柔顺补偿控制方法

Info

Publication number: CN107882795B
Application number: CN201711021343.6A
Authority: CN
Inventors: 俞滨; 巴凯先; 马国梁; 王东坤; 孔祥东
Original assignee: Yanshan University
Current assignee: Jiangsu Quantianxia Intelligent Equipment Co ltd
Priority date: 2017-10-26
Filing date: 2017-10-26
Publication date: 2019-07-26
Anticipated expiration: 2037-10-26
Also published as: CN107882795A

Abstract

一种高集成性阀控缸力控系统动态柔顺补偿控制方法，该方法内容包括：首先对高集成性阀控缸力控系统进行动态刚度机理分析；力控系统动态刚度包含第一部分固有动态刚度和第二部分等效动态刚度；设计前馈补偿控制器针对第一部分固有动态刚度进行补偿控制；设计另外一种自适应前馈补偿控制器针对第二部分等效动态刚度进行补偿控制；在此基础上，设计参数自整定PID控制器用于在线调整系统前向通道增益，进一步减小力控系统的动态刚度；设计动态柔顺复合补偿控制器G_cf(s)用于增大高集成性阀控缸力控系统的动态刚度。本发明极大地减小了力控制系统的动态刚度，为机器人具有高精度和高鲁棒性要求的外环柔顺控制提供了内环动态柔顺补偿控制方法。

Description

一种高集成性阀控缸力控系统动态柔顺补偿控制方法

技术领域

本发明涉及流体传动与控制领域，尤其涉及用于液压驱动型足式机器人的一种高集成性阀控缸力控系统动态柔顺补偿控制方法。

背景技术

阀控缸系统是液压系统中最为常用的组成形式之一，在航空航天、冶金、工程机械、农业机械、先进制造等领域有着广泛应用。而高集成性阀控缸作为更高功率密度的阀控缸结构，其在航空作动器、高性能足式机器人等应用对象上具有无可比拟的优势。但以上应用对象不同于传统的民用机械设备，其应具备杰出的控制性能，以保证其能在复杂的环境下具有很好的适应性。这使得高集成性阀控缸应具有轻量化、高响应等特点，同时关于高集成性阀控缸的结构设计优化和补偿控制方法的研究也更具有现实意义。

动态柔顺性是指控制系统在外干扰的作用下，位置变化的难易程度，其衡量指标为动态刚度，即控制系统力变化量与位置变化量的比值，该动态刚度越大(越趋近于无穷)则系统的动态柔顺性越差，反之，动态刚度越小(越趋近于零)则系统的动态柔顺性越好。针对力控系统而言，动态刚度就是指系统输出力与干扰位置的比值，该比值越小则说明系统在受到干扰位置时，输出力变化量越小，因此其动态柔顺性越好，特别是当力控系统动态刚度趋于零时，则说明无论干扰位置如何变化，系统输出力完全不受影响，该系统具有卓越的动态柔顺性，此时定义该力控系统为理想力控系统。

在液压驱动的高性能足式机器人上使用高集成性阀控缸进行动态柔顺控制时，基本实现原理都是以液压控制系统作为内环控制，再加入外环动态柔顺控制，当系统受到外干扰时，通过控制外环使控制内环的输入信号发生改变，从而使系统具备一定的动态柔顺性。目前所研究的动态柔顺控制方法多把内环力控系统视为理想系统，其控制方式的选取以及相应的补偿控制策略都针对于动态柔顺控制外环，然而，该动态柔顺控制的整体精度不仅取决于外环的动态柔顺控制，也受制于内环的控制精度。理想情况下，采用力闭环控制作为控制内环时，力控系统自身所具备的期望动态刚度趋于零，即力控精度很高且不受干扰位置的影响，使内环控制精度不影响整体的动态柔顺控制精度。但实际情况下，由于液压系统固有的非线性、参数时变性和环境的不确定性等原因，特别是当负载特性发生动态变化时，负载特性将对力控精度产生动态影响，表现在力控内环本身具备了一定的动态刚度，且不为零。由于此时力控系统存在着一定的动态刚度，导致了力控内环精度降低，从而影响着足式机器人的整体柔顺控制精度，因此有必要掌握高集成性阀控缸力控系统有着什么样的动态柔顺性，并在此基础上进行动态柔顺补偿控制，使系统自身的动态柔顺性更加趋近于理想情况。这样不仅可以有效提高力控内环的控制精度，而且可以在此基础上与柔顺控制外环共同作用，改善系统整体柔顺控制精度，从而提高足式机器人的整机运动性能。

近年来，多国学者针对力控系统的高精度和高鲁棒性控制开展了大量的研究工作。主要针对力控系统进行了性能分析与控制性能优化(如精度,动态特性,干扰抑制能力等)，起到了很好的控制效果，但所使用的控制方法多为先进控制算法，具有一定的复杂性，其工程实用性较低。更重要的是所涉及的控制方法，并没有提出和研究力控系统所具有的动态柔顺性组成，因此力控补偿的针对性也略显不足。

综上所述，在高集成性阀控缸力控技术中，迫切需要一种针对系统自身所具备的动态柔顺性的补偿控制方法。

发明内容

本发明的目的在于提供一种高集成性阀控缸力控系统动态柔顺补偿控制方法，该方法抗干扰性能高，能使力控系统动态柔顺性显著提高。

为了解决上述存在的技术问题实现上述目的，本发明是通过以下技术方案实现的：

一种高集成性阀控缸力控系统动态柔顺补偿控制方法，所述控制方法具体内容包括步骤如下：

步骤一：首先对高集成性阀控缸力控系统进行动态刚度机理分析；

首先将高集成性阀控缸力控系统闭环控制进行简化，再对简化后的力控系统闭环控制进行分析：力控系统动态刚度包含两个部分：第一部分为固有动态刚度，即系统固有环节引起的由外干扰位置至输出力的动态刚度；第二部分为等效动态刚度，即由于系统力闭环控制等效产生的动态刚度，这两种动态刚度在系统力闭环控制过程中共同起作用并互为串联关系；

步骤二：在高集成性阀控缸力控系统中，针对第一部分固有动态刚度进行补偿控制；

设计前馈补偿控制器产生一种等效控制器动态刚度其动态刚度方向与相反，由于与为串联关系，串联后的整体动态刚度理论上趋于零，实现对力控系统固有动态柔顺补偿控制；

步骤三：在高集成性阀控缸力控系统中，针对第二部分等效动态刚度进行补偿控制；

在前馈补偿控制器的基础上，设计另外一种自适应前馈补偿控制器产生一种等效控制器动态刚度其动态刚度方向与相同，从而实现对力控系统等效动态柔顺补偿控制；

步骤四：在步骤二和步骤三的基础上，设计参数自整定PID控制器用于在线调整系统前向通道增益，进一步减小力控系统的动态刚度；

结合控制器和设计动态柔顺复合补偿控制器G_cf(s)，其中控制器作用于第一部分固有动态刚度和共同作用于第二部分等效动态刚度G_cf(s)用于增大高集成性阀控缸力控系统的动态刚度。

与现有技术相比，本发明具有如下优点：

1、本发明方法通过采用动态柔顺复合补偿控制器G_cf(s)，提高了高集成性阀控缸力控系统的抗干扰性能，抗干扰性能高，能使力控系统动态柔顺性显著提高，极大地减小了该系统自身所具备的动态刚度。

2、本发明方法相对于传统的高集成性阀控缸力控系统控制算法更为简洁、工程实用性更强、力控补偿更加具有针对性。

3、在高集成性阀控缸作为液压驱动型机器人的腿部关节驱动器时，本发明方法作为机器人整体运动控制的液压系统内环控制方法，能够进一步提高机器人柔顺控制的精度和鲁棒性。

本发明极大地减小了力控制系统的动态刚度，为机器人具有高精度和高鲁棒性要求的外环柔顺控制提供了内环动态柔顺补偿控制方法。

附图说明

图1高集成性阀控缸力控系统闭环控制传递框图；

图2高集成性阀控缸力控系统简化传递框图；

图3高集成性阀控缸力控系统动态柔顺性串联组成图；

图4前馈补偿控制器原理图；

图5加入前馈补偿控制器后系统动态柔顺性原理图；

图6自适应前馈补偿控制器控制框图；

图7复合动态柔顺补偿控制G_cf(s)控制框图；

图8加入复合动态刚度补偿控制G_cf(s)后系统动态柔顺性原理图。

附图中：K_X——位移感器增益；K_axv——伺服阀增益；ω——伺服阀的固有频率；ζ——伺服阀阻尼比；X_V——伺服阀阀芯位移；K_d——等效流量系数；W——面积梯度(阀芯节流口窗口面积在阀芯位移方向上的变化率)；ρ——液压油的密度；p_s——系统供油压力；p₁——伺服缸的左腔压力；p₂——伺服缸的右腔压力；p₀——系统回油压力；C_ip——伺服缸的内泄漏系数；C_ep——伺服缸的外泄漏系数；V_g1——伺服阀与伺服缸进油连接流道容积；L——伺服缸活塞总行程；L₀——液压驱动单元伺服缸活塞初始位置；A_p——伺服缸有效活塞面积；β_e——有效体积弹性模量；m_t——折算到伺服缸活塞上总质量，包括负载、活塞、位移传感器、力传感器、连接管道和伺服缸内油液以及其它动件的折算质量和；F_r——输入力；K_F——力传感器力增益；K_PID——PID控制器增益；K_P——比例增益；K_I——积分增益；K_D——微分增益；K——负载刚度；B_p——负载及伺服缸的阻尼系数；X_L——外负载位置干扰；X_p——伺服缸活塞位移；F_p——力控系统输出力；F_f——负载及伺服缸的库仑摩擦力；U_r——输入电压；U_e——输入电压；U_g——控制器输出电压；Q₁——伺服缸左腔流量；Q₂——伺服缸右腔流量。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步说明：

本发明的一种高集成性阀控缸力控系统动态柔顺补偿控制方法，所述控制方法具体内容包括步骤如下：

图1所示为高集成性阀控缸力控系统闭环控制传递框图，将图1简化至图2所示的高集成性阀控缸力控系统简化传递框图，通过图2对该力控系统进行分析：

1)假定力控系统输入力与输出力没有偏差，即当输入端偏差电压信号差值等于零时，干扰位置只会对输出力产生沿①方向的影响。这种情况下，系统中存在一个固有动态刚度

2)系统固有动态刚度是在输入端偏差电压信号等于零时得出的，实际情况下，由于力闭环控制的存在，这个偏差信号在响应过程中不可能实时为零，尤其在干扰位置动态变化时，偏差是不相同的。这种情况下，系统中沿②方向存在另一个等效动态刚度

从图1高集成性阀控缸力控系统闭环控制传递框图和图2高集成性阀控缸力控系统简化传递框图可以看出：G₁(s)为伺服阀控制电压到伺服缸运动速度的传递函数；G₂(s)为伺服缸运动速度到伺服缸出力的传递函数；G_x(s)为伺服缸受到的干扰位置到伺服缸运动速度的传递函数。

在图2中沿①方向的系统中的固有动态刚度可以表示如下：

进一步的，沿②方向的系统中的等效动态刚度可以表示如下：

式中：

式中：V₁为进油连接流道容积；V₂为回油连接流道容积。

综上所述，力控系统本身具有较大的动态刚度，如图2所示，力控系统动态刚度包含了两个部分：第一部分为固有动态刚度，即系统固有环节引起的由外干扰位置至输出力的动态刚度；第二部分为等效动态刚度，即由于系统力闭环控制等效产生的动态刚度，这两种动态刚度在系统力闭环控制过程中共同起作用并互为串联关系。

步骤二：在高集成性阀控缸力控系统中，针对第一部分固有动态刚度进行补偿控制。

设计前馈补偿控制器产生一种等效控制器动态刚度其动态刚度方向与相反，由于与为串联关系，串联后的整体动态刚度理论上趋于零，实现对力控系统固有动态柔顺补偿控制。

如图3为高集成性阀控缸力控系统动态柔顺性串联组成图，力控系统由两个动态刚度组成的串联系统，系统两个动态刚度受到干扰位置X_L时产生相同的位置偏差，可表示如下：

力控系统动态刚度表示如下：

针对固有动态刚度补偿控制设计：

该控制器在设计时假定力控系统为无偏差系统，此时系统动态刚度完全补偿即可使力控系统动态刚度趋于零。经过数学推导，得到前馈补偿控制器可表示如下：

式中：A_p——伺服缸有效活塞面积；K_axv——伺服阀增益；K_d——等效流量系数；p_s——系统供油压力；p₀——系统回油压力；——为负载压力观测器实时观测压力值；ω——伺服阀的固有频率；s——拉氏变换算子；ζ——伺服阀阻尼比。

在力控系统加入该控制器后，可在图4中节点1处产生X'_L补偿X_L，从而使系统输出力F_P不发生变化。在图5中，此时该控制器在系统中产生了一个反向等效控制器动态刚度来补偿固有动态刚度在和的串联作用下，使得力控系统的动态刚度大幅减小。

步骤三：在高集成性阀控缸力控系统中，针对第二部分等效动态刚度进行补偿控制。

在前馈补偿控制器的基础上，设计了另外一种自适应前馈补偿控制器产生一种等效控制器动态刚度其动态刚度方向与相同，从而实现对力控系统等效动态柔顺补偿控制。

针对等效动态刚度补偿控制设计：

在图4中，由于X_L会造成系统流量的变化，前馈补偿控制器并不能完全补偿固有动态刚度故在前馈补偿控制器的基础上设计了自适应前馈补偿控制器用于补偿图2中②方向上的系统动态刚度，以改善系统内环控制精度。

由图2可以表示出伺服阀的压力-流量非线性方程为

上式中含有两个状态矢量和x_v，对上式进行一阶泰勒展开可得：

通过设计自适应前馈补偿控制器来补偿负载流量Q_L，在图6中节点2处消除负载流量的变化对力控精度产生的影响，此时该前馈补偿控制器产生了等效控制器动态刚度来补偿等效动态刚度其中自适应前馈补偿控制器可表示如下：

式中：K_adapt——电压补偿自适应系数；U_e——输入端电压；p_s——系统供油压力；p₀——系统回油压力；——为负载压力观测器实时观测压力值；ω——伺服阀的固有频率；ζ——伺服阀阻尼比；X_V——伺服阀阀芯位移；K_PI——PI控制器增益；K_q——流量系数；s——拉氏变换算子；K_c——压力系数。

步骤四：在步骤二和步骤三的基础上，设计参数自整定PID控制器用于在线调整系统前向通道增益，进一步减小力控系统的动态刚度。

结合控制器和设计动态柔顺复合补偿控制器G_cf(s)，其中控制器作用于第一部分固有动态刚度和共同作用于第二部分等效动态刚度

为进一步提高控制器和的控制鲁棒性，在它们的基础上，设计了一种参数自整定PID控制器用于在线调整系统前向通道增益，以减小高集成性阀控缸力控系统的动态刚度。

结合控制器和设计出复合动态柔顺补偿控制G_cf(s)来增大高集成性阀控缸力控系统的动态刚度。其中控制器作用于第一部分动态刚度和共同作用于第二部分动态刚度最终实现了对高性能足式机器人高集成性阀控缸力控系统动态柔顺补偿控制，进一步减小了力控系统的动态刚度，为机器人具有高精度和高鲁棒性要求的外环柔顺控制提供了内环补偿控制方法。图7和图8分别为复合动态柔顺补偿控制G_cf(s)控制框图，加入复合动态刚度补偿控制G_cf(s)后系统动态柔顺性原理图。

以上所述的实施例仅仅是对本发明的优选实施方式进行描述，并非对本发明的范围进行限定，在不脱离本发明设计精神的前提下，本领域普通技术人员对本发明的技术方案做出的各种变形和改进，均应落入本发明权利要求书确定的保护范围内。

Claims

1.一种高集成性阀控缸力控系统动态柔顺补偿控制方法，其特征在于：所述控制方法具体内容包括步骤如下：

2.根据权利要求1所述的一种高集成性阀控缸力控系统动态柔顺补偿控制方法，其特征在于：在步骤二中，所述前馈补偿控制器可表示如下：

G_x(s)为伺服缸受到的干扰位置到伺服缸运动速度的传递函数；G₁(s)为伺服阀控制电压到伺服缸运动速度的传递函数；

式中：A_p——伺服缸有效活塞面积；K_axv——伺服阀增益；K_d——折算系数；p_s——系统供油压力；p₀——系统回油压力；——为负载压力观测器实时观测压力值；ω——伺服阀的固有频率；s——拉氏变换算子；ζ——伺服阀阻尼比。

3.根据权利要求1所述的一种高集成性阀控缸力控系统动态柔顺补偿控制方法，其特征在于：在步骤三中，所述另外一种自适应前馈补偿控制器可表示如下：

式中：K_adapt——电压补偿自适应系数；K_adapt——电压补偿自适应系；U_e——输入端电压；p_s——系统供油压力；p₀——系统回油压力；——为负载压力观测器实时观测压力值；ω——伺服阀的固有频率；ζ——伺服阀阻尼比；X_V——伺服阀阀芯位移；K_PI——PI控制器增益；K_q——流量系数；s——拉氏变换算子；K_c——压力系数；K_axv——伺服阀增益。