用于液压驱动单元位置控制系统的复合控制方法及系统技术方案

本发明专利技术公开了一种用于液压驱动单元位置控制系统的复合控制方法及系统。包括：采用前馈补偿控制在系统内形成了一个与第一固有动态刚度相反的刚度模型来进行补偿外负载力对从负载力作用点到系统输出端间的固有动态刚度的影响。进一步，增加了一个自适应前馈补偿控制来进一步补偿输入电压与输出电压的偏差，从而补偿了系统负载压力的变化。另外，利用自整定位置控制提高了前述两种前馈补偿控制的鲁棒性，最终，将这三种补偿控制进行集成，构成位置复合控制方法，使系统动态刚度趋于无穷大状态。本发明专利技术提高了位置控制系统自身的动态刚度，提升了外环柔顺控制的精度和鲁棒性。此外，本发明专利技术的算法更加简便，在工程中更易实现。

Compound Control Method and System for Position Control System of Hydraulic Driving Unit

【技术实现步骤摘要】
用于液压驱动单元位置控制系统的复合控制方法及系统
本专利技术涉及流体传动与控制领域，尤其是涉及一种用于足式机器人液压驱动单元位置控制系统的基于动态刚度补偿的复合控制方法及系统。
技术介绍
液压驱动型足式机器人对未知及凹凸不平的地面环境具有一定的适应能力，能很好地实现越障功能，并且在野外探测、救援、军事等领域有着广泛应用。美国波士顿公司研制的液压驱动型四足机器人Big-Dog为例，该机器人仿照常见四足哺乳动物的四肢结构，能够在草地、丛林、沙滩、沼泽、雪地等复杂环境下具备良好的运动性能，并可携带重物。以上研究提升了机器人的实用价值，并促使各国研究人员对此类机器人展开研究。足式机器人在运动过程中，足端会与周围复杂环境频繁接触，在接触时，足端与地面之间会产生相互作用力，会对液压系统造成一定的冲击，为保护机器人关键元件不被破坏，要求组成足式机器人腿部各关节的液压驱动单元应具备一定的柔顺性，以此来提高足式机器人运动的稳定性。液压控制系统在受外界干扰时，位置变化的难易程度称为动态柔顺性，其衡量指标定义为动态刚度。在液压驱动单元位置控制系统中，动态刚度是系统所受外负载力与输出位置变化量的比值，动态刚度越大则说明系统在受到外负载力时，输出位置变化量越小。因此动态刚度越大，系统柔顺性越差；当动态刚度为无穷大时，系统输出位置变化量将完全不受影响，定义此时的系统为理想位置控制系统。液压驱动单元整体柔顺控制，实现原理为以位置控制系统作为液压驱动单元的控制内环，动态柔顺控制作为外环，通过对外环的动态柔顺控制使内环的输入信号产生变化，从而使系统具备一定的柔顺性。该外环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方法，也受限于内环的控制精度。理想情况下，以液压驱动单元位置控制系统作为控制内环时，其期望动态刚度趋于无穷大，此时，内环控制精度很高且不受外力影响，以此提高控制内环精度，从而不影响系统整体柔顺控制精度。但是，在实际情况下，由于环境的不确定性及外力干扰等因素，会对内环(位置)控制系统的精度产生影响，且液压驱动单元位置控制内环自身动态刚度不为无穷大，因此，导致液压驱动单元位置控制内环精度下降，从而影响着液压驱动单元整体动态柔顺控制精度。为了解决上述问题，国内外学者对液压驱动单元(内环)位置控制系统动态刚度及其相应的补偿控制方法展开了大量研究，采用了模糊逻辑控制、智能控制、滑膜控制和鲁棒控制等一系列先进控制方法。虽然，这些方法有着较好的控制效果，但控制方法较为复杂，缺乏工程实用性。更为重要的是：上述位置控制方法未能提出并掌握液压驱动单元位置控制系统固有的动态刚度，因此，液压驱动单元位置控制系统作为控制内环时，其相应的控制器不能以液压驱动单元自身所具备的动态刚度为出发点，导致其动态刚度控制补偿的针对性略有不足。综上所述，在液压驱动单元位置控制技术中，迫切需要一种针对位置控制系统自身具备的动态刚度的补偿控制方法，提高液压驱动单元的动态性能。
技术实现思路
为了解决上述技术问题，本专利技术实施例提供了一种用于液压驱动单元位置控制系统的复合控制方法，包括：获取当前实际输出信号和系统输入信号，得到表征二者偏差的偏差输入信号；对所述偏差输入信号进行纠正调节，生成驱动单元输入信号；利用预设的前馈补偿模型，由当前伺服缸两端压力差得到用于补偿第一固有动态刚度的第一信号，其中，所述第一固有动态刚度是外负载力对从负载力作用点到系统输出端间的固有动态刚度产生的第一影响；利用预设的自适应前馈补偿模型，由所述当前伺服缸两端压力差得到用于补偿第二固有动态刚度的第二信号，其中，所述第二固有动态刚度是所述第一影响通过系统反馈控制传导至系统输入端在所述负载力作用点处产生的消减力影响；根据所述驱动单元输入信号，结合所述第一信号和所述第二信号，得到实际输入至液压驱动单元的信号，基于此，驱动液压驱动单元生成相应的输出位置信号，并基于该信号完成系统反馈控制，以补偿因外负载力对液压驱动单元固有动态刚度的精度的影响。优选地，在对所述偏差输入信号进行纠正调节，生成驱动单元输入信号步骤中，包括：根据预设的前馈补偿控制系数和所述当前伺服缸两端压力差，将已存储的原始位置控制器调节系数进行更新，得到相应的偏差自定义调节系数，以增大利用前馈补偿控制结合自适应前馈补偿控制，对液压驱动单元固有动态刚度进行提高的程度；获取用于增强所述前馈补偿控制结合所述自适应前馈补偿控制的补偿效果的所述偏差自定义调节系数；根据所述偏差自定义调节系数，进行偏差纠正调节处理，生成相应的所述驱动单元输入信号。优选地，在利用预设的前馈补偿模型，由当前伺服缸两端压力差得到用于补偿第一固有动态刚度的第一信号步骤中，包括：根据采集到的在当前外负载力作用下液压驱动单元伺服缸左、右两腔的实时压力值，得到相应的所述当前伺服缸两端压力差；将所述当前伺服缸两端压力差，输入至所述前馈补偿模型，得到所述第一信号，其中，所述前馈补偿模型的构建过程包括：基于预设的液压驱动单元位置控制系统传递函数模型，忽略液压驱动单元活塞杆初始位置对位置控制系统产生的影响，构建前馈补偿标准模型，进一步，采用Butterworth滤波方法，将所述前馈补偿标准模型进行二阶以上微分环节的优化处理，基于此，忽略两个一阶微分超前环节，得到所述前馈补偿模型。优选地，在利用预设的自适应前馈补偿模型，由所述当前伺服缸两端压力差得到用于补偿第二固有动态刚度的第二信号步骤中，包括：根据采集到的在当前外负载力作用下液压驱动单元伺服缸左、右两腔的实时压力值，得到相应的所述当前伺服缸两端压力差；获取所述偏差输入信号，将所述当前伺服缸两端压力差和所述偏差输入信号，输入至所述自适应前馈补偿模型，得到所述第二信号，以补偿系统负载流量的变化对输出位移的影响，其中，所述自适应前馈补偿模型构建过程包括：将预设的液压驱动单元伺服阀压力与流量非线性方程转换成一阶泰勒表达式，进一步，基于预设的液压驱动单元位置控制系统传递函数模型，并结合所述一阶泰勒表达式，得到所述自适应前馈补偿模型。优选地，所述前馈补偿模型的传递函数利用如下表达式表示：其中，表示前馈补偿模型的传递函数，Vt表示伺服缸总压缩容积，ω表示伺服阀固有频率，βe表示液压驱动单元的有效体积弹性模量，Cip表示伺服缸的内泄漏系数，ζ表示伺服阀阻尼比，s表示拉普拉斯算子，Kaxv表示伺服阀增益，Ap表示伺服缸有效活塞面积，Kd表示伺服阀阀芯的等效流量系数，ps表示系统供油压力，p0表示系统回油压力，其中，表示当前伺服缸两端压力差，p1表示伺服缸的实时左腔压力；p2表示伺服缸的实时右腔压力。优选地，所述自适应前馈补偿模型的传递函数利用如下表达式表示：其中，表示自适应前馈补偿模型的传递函数，Kc表示伺服缸流量与压力变化系数，KPI表示PI控制器增益，Xv表示伺服阀阀芯位移，Kq表示伺服缸流量增益，Kaxv表示伺服阀增益，ω表示伺服阀固有频率，s表示拉普拉斯算子，ζ表示伺服阀阻尼比，Kadapt表示自适应前馈补偿模型的增益，Ue表示偏差输入信号对应的电压值，ps表示系统供油压力，p0表示系统回油压力，其中，表示当前伺服缸两端压力差，p1表示伺服缸的实时左腔压力；p2表示伺服缸的实时右腔压力。另一方面，本专利技术还提出了一种用于液压驱动单元位置控制系统的本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种用于液压驱动单元位置控制系统的复合控制方法，包括：获取当前实际输出信号和系统输入信号，得到表征二者偏差的偏差输入信号；对所述偏差输入信号进行纠正调节，生成驱动单元输入信号；利用预设的前馈补偿模型，由当前伺服缸两端压力差得到用于补偿第一固有动态刚度的第一信号，其中，所述第一固有动态刚度是外负载力对从负载力作用点到系统输出端间的固有动态刚度产生的第一影响；利用预设的自适应前馈补偿模型，由所述当前伺服缸两端压力差得到用于补偿第二固有动态刚度的第二信号，其中，所述第二固有动态刚度是所述第一影响通过系统反馈控制传导至系统输入端在所述负载力作用点处产生的消减力影响；根据所述驱动单元输入信号，结合所述第一信号和所述第二信号，得到实际输入至液压驱动单元的信号，基于此，驱动液压驱动单元生成相应的输出位置信号，并基于该信号完成系统反馈控制，以补偿因外负载力对液压驱动单元固有动态刚度的精度的影响。

【技术特征摘要】
1.一种用于液压驱动单元位置控制系统的复合控制方法，包括：获取当前实际输出信号和系统输入信号，得到表征二者偏差的偏差输入信号；对所述偏差输入信号进行纠正调节，生成驱动单元输入信号；利用预设的前馈补偿模型，由当前伺服缸两端压力差得到用于补偿第一固有动态刚度的第一信号，其中，所述第一固有动态刚度是外负载力对从负载力作用点到系统输出端间的固有动态刚度产生的第一影响；利用预设的自适应前馈补偿模型，由所述当前伺服缸两端压力差得到用于补偿第二固有动态刚度的第二信号，其中，所述第二固有动态刚度是所述第一影响通过系统反馈控制传导至系统输入端在所述负载力作用点处产生的消减力影响；根据所述驱动单元输入信号，结合所述第一信号和所述第二信号，得到实际输入至液压驱动单元的信号，基于此，驱动液压驱动单元生成相应的输出位置信号，并基于该信号完成系统反馈控制，以补偿因外负载力对液压驱动单元固有动态刚度的精度的影响。2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，在对所述偏差输入信号进行纠正调节，生成驱动单元输入信号步骤中，包括：根据预设的前馈补偿控制系数和所述当前伺服缸两端压力差，将已存储的原始位置控制器调节系数进行更新，得到相应的偏差自定义调节系数，以增大利用前馈补偿控制结合自适应前馈补偿控制，对液压驱动单元固有动态刚度进行提高的程度；获取用于增强所述前馈补偿控制结合所述自适应前馈补偿控制的补偿效果的所述偏差自定义调节系数；根据所述偏差自定义调节系数，进行偏差纠正调节处理，生成相应的所述驱动单元输入信号。3.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，在利用预设的前馈补偿模型，由当前伺服缸两端压力差得到用于补偿第一固有动态刚度的第一信号步骤中，包括：根据采集到的在当前外负载力作用下液压驱动单元伺服缸左、右两腔的实时压力值，得到相应的所述当前伺服缸两端压力差；将所述当前伺服缸两端压力差，输入至所述前馈补偿模型，得到所述第一信号，其中，所述前馈补偿模型的构建过程包括：基于预设的液压驱动单元位置控制系统传递函数模型，忽略液压驱动单元活塞杆初始位置对位置控制系统产生的影响，构建前馈补偿标准模型，进一步，采用Butterworth滤波方法，将所述前馈补偿标准模型进行二阶以上微分环节的优化处理，基于此，忽略两个一阶微分超前环节，得到所述前馈补偿模型。4.根据权利要求1～3中任一项所述的方法，其特征在于，在利用预设的自适应前馈补偿模型，由所述当前伺服缸两端压力差得到用于补偿第二固有动态刚度的第二信号步骤中，包括：根据采集到的在当前外负载力作用下液压驱动单元伺服缸左、右两腔的实时压力值，得到相应的所述当前伺服缸两端压力差；获取所述偏差输入信号，将所述当前伺服缸两端压力差和所述偏差输入信号，输入至所述自适应前馈补偿模型，得到所述第二信号，以补偿系统负载流量的变化对输出位移的影响，其中，所述自适应前馈补偿模型构建过程包括：将预设的液压驱动单元伺服阀压力与流量非线性方程转换成一阶泰勒表达式，进一步，基于预设的液压驱动单元位置控制系统传递函数模型，并结合所述一阶泰勒表达式，得到所述自适应前馈补偿模型。5.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，所述前馈补偿模型的传递函数利用如下表达式表示：其中，表示前馈补偿模型的传递函数，Vt表示伺服缸总压缩容积，ω表示伺服阀固有频率，βe表示液压驱动单元的有效体积弹性模量，Cip表示伺服缸的内泄漏系数，ζ表示伺服阀阻尼比，s表示拉普拉斯算子，Kaxv表示伺服阀增益，Ap表示伺服缸有效活塞面积，Kd表示伺服阀阀芯的等效流量系数，ps表示系统供油压力，p0表示系统回油压力，其中，表示当前伺服缸两端压力差，p1表示伺服缸的实时左腔压力；p2表示伺服缸的实时右腔压力。6.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，所述自适应前馈补偿模型的传递函数利用如下表达式表示：其中，表示自适应前馈补偿模型的传递函数，Kc表示伺服缸流量与压力变化系数，KPI表示PI控制器增益，Xv表示伺服阀阀芯位移，K...

【专利技术属性】
技术研发人员：巴凯先，俞滨，刘瑞栋，娄文韬，高正杰，马国梁，
申请(专利权)人：燕山大学，
类型：发明
国别省市：河北,13