一種基于衰減記憶濾波的電液伺服控制方法及2-dof機械臂的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001 ]本發(fā)明涉及電液伺服的控制方法，特別是電液伺服的修正反步控制方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 目前應(yīng)用在電液伺服控制系統(tǒng)中的先進控制方法有很多種，包括魯棒控制、參數(shù) 自適應(yīng)控制，反步控制，精確反饋線性化方法等。傳統(tǒng)的參數(shù)自適應(yīng)控制方法只能估計未知 的不確定參數(shù)常量，不能估計時變參數(shù)如系統(tǒng)的外界干擾等。電液伺服控制系統(tǒng)由于是嚴 格反饋模型，經(jīng)常采用反步控制方法設(shè)計控制律，但是控制律中需要對虛擬控制變量進行 求導(dǎo)，直接求導(dǎo)會帶來微分爆炸，因此，本專利采用衰減記憶濾波器與參數(shù)自適應(yīng)估計律相 結(jié)合的方法，不僅可以對液壓6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 行濾波，而且對反步控制律中的虛擬控制量進行濾波處理，避免微分爆炸，防止電液伺服執(zhí) 行器的控制飽和的產(chǎn)生。電液伺服執(zhí)行器將驅(qū)動2自由度機械臂的運動。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0003] 本發(fā)明的目的是克服目前電液伺服參數(shù)自適應(yīng)估計和反步控制方法的不足，同時 適用于時變和非時變參數(shù)的估計，而且可以防止出現(xiàn)微分爆炸現(xiàn)象，提高電液伺服控制系 統(tǒng)的跟蹤動態(tài)性能。
[0004] 本發(fā)明的技術(shù)方案是一種基于衰減記憶濾波和參數(shù)自適應(yīng)的電液伺服控制方法， 該方法包括：
[0005] 步驟1:建立電液伺服執(zhí)行器模型；
[0006] 步驟2:驅(qū)動電液伺服，實時獲取電液伺服的反饋數(shù)據(jù)；
[0007]步驟3:利用反饋數(shù)據(jù)結(jié)合系統(tǒng)的狀態(tài)誤差計算控制變量；
[0008] 步驟4:采用衰減記憶濾波器對控制變量進行濾波；
[0009] 步驟5:結(jié)合反饋數(shù)據(jù)、系統(tǒng)誤差和濾波后的控制變量計算參數(shù)自適應(yīng)估計律；
[0010] 步驟6:結(jié)合參數(shù)自適應(yīng)估計律和濾波后控制變量計算修正反步控制律；
[0011] 步驟7:根據(jù)修正反步控制律對電液伺服實時進行驅(qū)動。
[0012] 進一步的，所述步驟1中建立的伺服執(zhí)行器模型為：
[0013]
[0014] 其中Xi(i = 1，…，4)為模型狀態(tài)變量，丨ΛΡΛ-:,u4f = [_v, .i', ρ,,Λ'J'，y液壓缸輸出位 移，夕為輸出位移變化率，PL為負載壓力，Xv為伺服閥閥芯位移，4(/=Κ···，6)為不確定參數(shù)，m 為負載質(zhì)量，ps為供油壓力，AP為對稱缸橫截面積，Ctl為液壓缸總泄漏系數(shù)，V t為液壓缸容 積，&為液壓油有效體積彈性模量，Cd為伺服閥流量系數(shù)，w為伺服閥面積梯度，P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)，R為外負載壓力，K sv為伺服閥放大系數(shù)，Tsv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)項系數(shù)，u為伺服閥控制電壓。
[0015] 進一步的，步驟2中獲取的反饋數(shù)據(jù)包括:液壓缸輸出位移、液壓缸輸出位移變化 率、液壓缸負載壓力、伺服閥閥芯位移、液壓缸外負載壓力。
[0016] 進一步的，所述步驟3中系統(tǒng)誤差Zi(i = l，…，4)表示為
[0017] I? (5)
[0018] 其中xid表示液壓缸期望位移指令，ai( i = 1，2，3)為反步控制律設(shè)計中虛擬控制變 量，表示為：
[0019]
[0020]
[0021] 其中C1C2C3表示反步控制律中的控制參數(shù)。
[0022] 進一步的，所述步驟4中采用衰減記憶濾波器對虛擬控制變量和液壓缸外負載壓 力進行濾波；
[0023]
[0024] 其中Φ (k)為第k步計算值，為第k_l步估計值，為第k_l步變化率 的估計值，為k步估計值，為第k步變化率的估計值，T。表示控制步長，濾波參數(shù)G =1-λ2，H= (l-λ)2，濾波參數(shù)〇〈λ〈1。
[0025] 進一步的，所述步驟5中自適應(yīng)律為：
[0026]
[0027]其中為經(jīng)過衰減記憶濾波器之后得到虛擬控制量的變化律估計值，h(i = 1、2、 3、4、5、6)表示參數(shù)自適應(yīng)估計律中的放大系數(shù)。
[0028]進一步的，所述步驟6中修正反步控制律為：
[0029]
[0030]
[0031 ]其中|Δ鳥[_、卜砵匕為濾波器誤差的有界約束值。
[0032]進一步的，采用拉格朗日方法建立液壓缸外負載力模型。
[0033] 一種采用基于衰減記憶濾波的電液伺服控制方法的2-D0F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個定量柱塞栗，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(guān)節(jié)， 第二連桿與第三連桿鉸接，稱該處為肘關(guān)節(jié)；肩關(guān)節(jié)與肘關(guān)節(jié)處分別設(shè)置一個電液伺服閥 與雙作用液壓缸;整個機械臂設(shè)置1個伺服電機、1個定量柱塞栗和1個油箱;第二連桿與第 三連桿上分別設(shè)置一光電編碼器，用于測量兩個關(guān)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(shè)置1個壓力傳感器，測量液壓缸的負載力，在定量柱塞栗出口安裝1個 壓力表，監(jiān)測系統(tǒng)的供油壓力。
[0034]本發(fā)明的目的之三是提出參數(shù)自適應(yīng)估計與衰減記憶濾波器相結(jié)合的修正反步 控制設(shè)計方法，既能對對液壓6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 行濾波，得到其估計值及其變化率，而且對反步控制律中的虛擬控制量進行濾波得到虛擬 控制量的變化率，防止出現(xiàn)微分爆炸現(xiàn)象，提高電液伺服控制系統(tǒng)的跟蹤動態(tài)性能。
【附圖說明】
[0035]圖1為本發(fā)明的采用基于衰減記憶濾波的電液伺服控制方法的2-D0F機械臂；
[0036] 圖2為本發(fā)明虛擬變量計算順序示意圖；
[0037] 圖3為本發(fā)明一種基于衰減記憶濾波的電液伺服控制方法流程圖。
【具體實施方式】
[0038]以下提供本發(fā)明一種基于衰減記憶濾波器和參數(shù)自適應(yīng)估計方法的2-D0F機械臂 運動控制裝置的具體實時方式。
[0039]整個系統(tǒng)的模型分為2部分，包括電液伺服執(zhí)行器的模型和2-D0F機械臂負載力模 型。分別簡述如下：
[0040] 1)電液伺服執(zhí)行器建模
[0041 ]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：
[0042] (1)
[0043] 其中Xi(i = l，···，4)為模型狀態(tài)變量，液壓缸輸出 位移，義為輸出位移變化率，PL為負載壓力，Xv為伺服閥閥芯位移，州/=1，….6)為不確定參 數(shù)，m為負載質(zhì)量，ps為供油壓力，AP為對稱缸橫截面積，(^為液壓缸總泄漏系數(shù)，V t為液壓缸 容積，&為液壓油有效體積彈性模量，Cd為伺服閥流量系數(shù)，w為伺服閥面積梯度，P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)，R為外負載壓力，K sv為伺服閥放大系數(shù)，Tsv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)項系數(shù)，u為伺服閥控制電壓。 [0044] 2)負載力建模
[0045] 2-D0F機械臂的2個關(guān)節(jié)運動由2個電液伺服執(zhí)行器驅(qū)動，因此2個液壓缸末端存在 外負載力，負載力建模米用拉格朗日方法建立如下：
[0046] Η .! +C .1 +G= " (2) W Ια」 λ」
[0047] 其中θ:、θ2為肩關(guān)節(jié)和肘關(guān)節(jié)角度，Η為慣性矩陣，C為Coriolis矩陣，G為重力項，Tu 為肩關(guān)節(jié)負載扭矩，Tf為肘關(guān)節(jié)負載扭矩。
[0048]兩個關(guān)節(jié)的負載力FLu、FLf表示為 F Ω、-ΤΜ及J C〇〇49] T.(0r0