本發(fā)明涉及一種可用于非對稱液壓缸執(zhí)行機構的控制方法，特別是同時存在液壓參數(shù)不確定性和外負載干擾情況下電液伺服執(zhí)行器的狀態(tài)約束控制。

背景技術：

在電液伺服控制系統(tǒng)中同時考慮液壓參數(shù)不確定性和外負載動態(tài)干擾，并且對電液伺服系統(tǒng)狀態(tài)和系統(tǒng)輸出進行約束。本專利采用比例積分形式的干擾觀測器與參數(shù)自適應估計律相結合的方法同時估計未知液壓參數(shù)和外負載干擾，采用基于障礙李雅普洛夫函數(shù)和動態(tài)面控制技術的反步控制方法實現(xiàn)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(tǒng)狀態(tài)收斂，同時參數(shù)估計和外負載估計收斂，動態(tài)面穩(wěn)定，液壓動態(tài)響應性能良好，從而驅動機械臂的關節(jié)運動。

技術實現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的是克服目前電液伺服控制方法的不足，適用于存在液壓參數(shù)不確定性和外負載干擾情況下的電液伺服執(zhí)行器狀態(tài)約束控制，可以防止控制飽和，并提高電液伺服控制系統(tǒng)的動態(tài)跟蹤性能。

本發(fā)明的技術方案是一種存在參數(shù)不確定性和負載干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(zhí)行器模型；

非對稱電液伺服執(zhí)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，p_a和p_b為非對稱液壓缸無桿腔和有桿腔壓力，x_v為伺服閥閥芯位移，m為負載質量，p_s為供油壓力，A_a和A_b為非對稱缸無桿腔和有桿腔的橫截面積，C_tl為液壓缸總泄漏系數(shù)，V_0a和V_0b為非對稱液壓缸無桿腔和有桿腔的初始容積，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為負載剛度系數(shù)，b為液壓油阻尼系數(shù)，F(xiàn)_L為外負載壓力，K_sv為伺服閥放大系數(shù)，T_sv為伺服閥一階響應時間常數(shù),sgn(·)為符號函數(shù)，u為伺服閥控制電壓。

由于模型(1)含有1個內(nèi)部動態(tài)，因此定義2個新狀態(tài)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＝β_e，θ₃＝β_eC_tl，為4個未知不確定液壓參數(shù)，

f₂₁(x₁)＝-Kx₁/m f₂₂(x₂)＝-x₂/m

g₂＝A_a/m d(t)＝-F_L(t)/m

f₃₁(x₁,x₂)＝-(h₁A_a+h₂A_bυ)x₂/β_e

f₃₂(x₁,x₃,x₄)＝-(x₃-x₄)(h₁+h₂)/β_e

g₄＝K_sv/T_sv

其中υ表示液壓缸無桿腔與有桿腔面積之比，υ＝A_b/A_a。

步驟2：驅動電液伺服，實時獲取電液伺服的反饋數(shù)據(jù)：液壓缸輸出位移、液壓缸輸出位移變化率、液壓缸無桿腔和有桿腔的壓力、伺服閥閥芯位移；

步驟3：采用高增益干擾觀測器對外負載干擾進行估計；

步驟4：采用參數(shù)自適應估計律對液壓未知常參數(shù)進行估計；

步驟5：采用動態(tài)面控制計算反步控制中的虛擬控制變量；

步驟6：基于障礙李雅普洛夫函數(shù)，并結合反饋數(shù)據(jù)、系統(tǒng)誤差和、參數(shù)自適應估計值和負載干擾估計量計算反步控制律；

步驟7：根據(jù)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中高增益干擾觀測器對外負載干擾進行估計如下：

其中和為負載干擾d和未知參數(shù)θ₁的估計值，K_d為觀測器增益。

進一步的，所述步驟4中參數(shù)自適應估計律設計如下：

首先，系統(tǒng)誤差z_i(i＝1,…,4)表示為

其中y_d表示液壓缸期望位移指令,α_i(i＝1,2,3)為反步控制律設計中虛擬控制變量；

其次，參數(shù)自適應估計律表示為：

其中為4個未知液壓參數(shù)的估計值，為的初始值，k_θi(i＝1,…,4)為參數(shù)自適應估計律增益，η_i(i＝1,…,4)為設定的正常數(shù)，

k_a1和k_b1為系統(tǒng)誤差z₃的左右約束邊界。

進一步的，所述步驟5中動態(tài)面設計如下：

其中β_i(i＝1,…,3)為動態(tài)面穩(wěn)定函數(shù)，τ_i(i＝1,…,3)為動態(tài)面時間常數(shù)；

動態(tài)面誤差表示為S_i＝α_i-β_i(i＝1,…,3)，虛擬控制量微分表示為動態(tài)面穩(wěn)定函數(shù)β_i(i＝1,…,3)進一步表示為：

其中表示輸出誤差z₁的約束邊界，k_i(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(tǒng)狀態(tài)約束條件如下：

其中k_c1為輸出誤差z₁的約束邊界，k_a1和k_b1為系統(tǒng)誤差z₃的左右約束邊界，表示為：

k_a1＝(υ+1)p_s-p_r，k_b1＝p_s-(υ+1)p_r

其中υ表示液壓缸無桿腔與有桿腔面積之比，p_s表示系統(tǒng)供油壓力，p_r表示系統(tǒng)回油壓力；

基于障礙李雅普洛夫函數(shù)，構建系統(tǒng)的能量函數(shù)為：

則狀態(tài)約束反步控制律u表示為：

其中k₄表示控制增益，τ_i(i＝1,…,3)為動態(tài)面時間常數(shù)。

一種應用存在參數(shù)不確定性和負載干擾的電液伺服控制方法的機械臂，該機械臂包括：3個機械連桿，包括：第一連桿、第二連桿、第三連桿，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；其中第一連桿與第二連桿之間鉸接，稱該處為肩關節(jié)，第二連桿與第三連桿鉸接，稱該處為肘關節(jié)；肩關節(jié)與肘關節(jié)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；第二連桿與第三連桿上分別設置一光電編碼器，用于測量兩個關節(jié)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(jiān)測系統(tǒng)的供油壓力。

本發(fā)明的目的之三是提出基于障礙利亞普洛夫函數(shù)和動態(tài)面設計技術的狀態(tài)約束控制方法，結合高增益負載干擾觀測器和參數(shù)自適應估計律，既能對對液壓4個不確定參數(shù)進行估計，同時也可以對時變的外負載干擾進行估計，而且利用動態(tài)面設計規(guī)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(xiàn)微分爆炸現(xiàn)象，將輸出位移跟蹤誤差和液壓缸無桿腔和有桿腔的壓力約束到預定的指標邊界以內(nèi)，提高了電液伺服系統(tǒng)的動態(tài)性能。

附圖說明

圖1為本發(fā)明的采用存在液壓參數(shù)不確定性和負載干擾情況下電液伺服執(zhí)行器狀態(tài)約束控制方法的二自由度機械臂機構示意圖；

圖2為本發(fā)明一種存在液壓參數(shù)不確定性和負載干擾情況下電液伺服執(zhí)行器狀態(tài)約束控制方法方案圖。

具體實施方式

以下提供本發(fā)明一種存在液壓參數(shù)不確定性和負載干擾情況下電液伺服執(zhí)行器狀態(tài)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(zhí)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(jié)力矩作為電液伺服執(zhí)行器的負載干擾考慮，簡述如下：

1)非對稱電液伺服執(zhí)行器模型電液伺服執(zhí)行器建模

采用五階模型描述伺服閥驅動液壓缸回路的電液伺服執(zhí)行器模型如下：

y＝x₁

其中

x_i(i＝1,…,4)為模型狀態(tài)變量，y液壓缸輸出位移，為輸出位移變化率，p_a和p_b為非對稱液壓缸無桿腔和有桿腔壓力，x_v為伺服閥閥芯位移，m為負載質量，p_s為供油壓力，A_a和A_b為非對稱缸無桿腔和有桿腔的橫截面積，C_tl為液壓缸總泄漏系數(shù)，V_0a和V_0b為非對稱液壓缸無桿腔和有桿腔的初始容積，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為負載剛度系數(shù)，b為液壓油阻尼系數(shù)，F(xiàn)_L為外負載壓力，K_sv為伺服閥放大系數(shù)，T_sv為伺服閥一階響應時間常數(shù),sgn(·)為符號函數(shù)，u為伺服閥控制電壓。

由于模型(1)含有1個內(nèi)部動態(tài)，因此定義2個新狀態(tài)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＝β_e，θ₃＝β_eC_tl，為4個未知不確定液壓參數(shù)，

f₃₁(x₁,x₂)＝-(h₁A_a+h₂A_bα)x₂/β_e

f₃₂(x₁,x₃,x₄)＝-(x₃-x₄)(h₁+h₂)/β_e

2)高增益負載干擾觀測器表述為：

其中和為負載干擾d和未知參數(shù)θ₁的估計值，K_d為觀測器增益。

3)參數(shù)自適應估計律表示為：

其中為4個未知液壓參數(shù)的估計值，為的初始值，k_θi(i＝1,…,4)為參數(shù)自適應估計律增益，η_i(i＝1,…,4)為設定的正常數(shù)，

系統(tǒng)誤差z_i(i＝1,…,4)表示為

其中y_d表示液壓缸期望位移指令,α_i(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α_i(i＝1,…,3)的動態(tài)面設計如下：

其中β_i(i＝1,…,3)為動態(tài)面穩(wěn)定函數(shù)，τ_i(i＝1,…,3)為動態(tài)面時間常數(shù)。

動態(tài)面誤差表示為S_i＝α_i-β_i(i＝1,…,3)，虛擬控制量微分表示為動態(tài)面穩(wěn)定函數(shù)β_i(i＝1,…,3)進一步表示為：

5)基于障礙李雅普洛夫函數(shù)的狀態(tài)約束反步控制律u表示為：