电液关节负载敏感自适应模糊滑模控制方法与流程

本发明涉及电液关节，尤其适用于普通电磁阀构成的电液关节液压系统的负载敏感控制中，采用控制算法而非传统机械式负载敏感比例多路阀实现液压系统的负载敏感特性。

背景技术

作为液压机器人极其重要的组成部分，关节是机器人实现系列动作，从而与外界进行交互的执行载体，而液压机器人的整机工作性能与液压关节结构和工作性能息息相关，因此各国均十分重视高性能电液关节的研究与开发。因此，具有控制精度高、稳定性好、响应速度快的高性能电液关节研制和相关技术研究成为目前液压机器人领域的研究热点之一。能耗是电液关节工作性能极为重要的方面，能耗高低不仅直接决定电液关节工作过程的经济性，而且还会通过影响油液物理力学性质等方式间接对电液关节的工作性能产生影响。

负载敏感控制系统能在外部负载压力变化时，液压变量泵调节机构接收到负载压力需求，使其输出的压力以及流量参数自动地与接收到的需求快速匹配，避免了存在负载压力小输出压力大或者负载压力大输出压力小的工作方式，从而很大程度上提高了系统工作效率的同时也有效的减小能力损失。目前负载敏感阀控液压系统的负载敏感特性普遍是由机械式负载敏感比例多路阀实现的，传统的机械式负载敏感比例多路阀应用在电液关节上存在一些不可避免的弊端：阀体相对于电液关节较为庞大，致使关节的动作受到一定的限制；机械式负载敏感比例多路阀内部结构复杂，制备难度较大，且制备成本高；油液物理特性如可压缩性、油液黏度、油液温度、液体流动特性等对负载敏感比例多路阀产生的影响，导致其在工作过程中产生的误差大、反应速度慢；阀内弹簧在长期工作过程中会产生一定的疲劳损伤，严重影响负载敏感比例多路阀的压力、流量补偿精度。

在电液关节控制研究方面，尽管国内外学者提出了众多的控制策略，但这些方法要么未能很好解决复杂系统的高频抖振问题，要么在削弱抖振时降低了系统的鲁棒性，或者因过于复杂而无法应用于工程实际，且在利用控制算法实现电液关节负载敏感特性的研究方面较为缺乏。

技术实现要素：

本发明的提供了电液关节负载敏感自适应模糊滑模控制方法，对于普通电液比例溢流阀、电磁比例换向阀、液压马达以及压力传感器组成的电液关节，采用控制的方法实现其负载敏感特性。控制器实时采集压力传感器的值，经过自适应模糊滑模控制算法的系列运算后控制电液比例溢流阀的输出压力以补偿负载所需工作压力。

本发明的创新点之一是确定电液关节的负载敏感控制策略，经过电磁比例换向阀的液压油压降值取为ph1，所有液压油管路压降等效值为ph2，则所有液压油压降值为ph(ph1+ph2)。电液关节负载敏感控制系统主要控制电液比例溢流阀进入系统的液压油工作压力p1，以自适应液压马达的工作压力δp，满足电液关节不同工作要求。在电液关节负载敏感控制系统中，将δp+ph作为控制系统的输入r，p1作为控制系统的输出y，控制系统的误差e＝r-y＝ph+δp-p1。自适应模糊滑模变结构控制器根据控制系统的误差e，运行电液关节自适应模糊滑模控制算法，得到电液比例溢流阀的控制输入电压u，电液关节自适应模糊滑模控制算法由模糊滑模变结构切换控制律设计、自适应模糊滑模变结构控制律设计等两个过程构成。

模糊滑模变结构切换控制律设计过程：

(1)滑模变结构切换控制律以usw表示，表达如下：

usw＝εsgn(s)+ks

式中，ε>0，k>0；符号函数s为滑模面函数，n为系统阶数。

(2)对滑模变结构切换控制律usw进行模糊化，滑模变结构切换控制律usw被转换成如下模糊滑模变结构切换控制律表达如下：

式中，θ为调整参数向量，θ＝(h¹,h²,…h^m)^t，h为单值解模糊器求取的函数值，m为模糊规则数量，ξ(s)为模糊向量，ξ(s)＝(ξ¹(s),ξ¹(s),…ξ^m(s))^t，为si的隶属函数，n为模模输入数量。

(3)为使电液关节负载敏感控制系统具有自适应学习的能力，模糊滑模变结构切换控制律中的θ^t要根据自适应律变化。θ^t的自适应控制律表达如下：

式中，γ>0。

(4)电液比例溢流阀的控制输入电压u为自适应模糊滑模变结构控制律，设计过程：

式中，xi为空间状态变量，a1,…,an-1,an为状态空间方程的系统友矩阵a的最后一行的元素，b为状态空间方程的输入矩阵；ci>0，ci满足多项式p^n-1+cn-1p^n-2+…+c2p+c1为hurwitz矩阵；p为laplace算子。

有益效果：本发明设计的电液关节的负载敏感控制策略，可以代替传统的复杂机械式负载敏感比例多路阀实现电液关节液压系统的负载敏感特性，降低了成本。且本发明设计的电液关节负载敏感自适应模糊滑模控制算法，具有系统响应快、控制精度高、抗干扰能力强，自适应性能良好的控制效果，并且抑制了高频抖振。该算法实现的负载敏感特性的效果是当负载变化时系统压力补偿迅速、且精度高，从一定程度上减少能耗。

附图说明

图1：电液关节液压控制系统框图

图2：电液关节负载敏感自适应模糊滑模控制系统框图

具体实施方式

下面结合附图1至附图2，对本发明作进一步详述。

参考附图1，本发明的所提及的电液关节控制系统运转初期，给定压力调节系统初始值使其运转，比例放大器放大给定初始值，电液比例溢流阀接收电压信号并进行电磁转换以驱动阀芯运动，液压执行机构将流量转换为液油压力信号，供需到执行机构即液压马达，使其运转带动负载完成驱动需求。此后无需外界给定任何驱动信号，控制系统会根据负载情况自动补偿压力。根据液压马达扭矩计算原理，当负载变化时液压马达扭矩发生改变时，从而导致其工作压力δp(正转时δp＝p2-p3，反转时δp＝p3-p2)的变化，压力传感器会将实时采集的压力值反馈至电液比例溢流阀控制系统，使其输出压力与负载压力即液压马达的工作压力δp相匹配，实现实时压力补偿的目的。在压力补偿过程中，电磁比例换向阀及回油油路会产生一定压降，其也作为一重要考虑因素。参考附图1并根据负载敏感系统原理，确定电液关节的负载敏感控制策略，即将液压马达工作压力δp与所有液压油压降值ph之和作为控制系统输入r，电液比例溢流阀工作压力p1作为输出y，误差e则取e＝r-y＝ph+δp-p1。

参考附图2，电液关节负载敏感自适应模糊滑模控制算法，包括：

第一步：根据控制系统，设系统的跟踪误差为e＝r-y，控制目标为e→0。设计滑模面函数为：

式中，

式中，n为系统阶数，ci>0。

对式(1)求导可得

第二步：设计的滑模变结构控制律为等效控制律与切换控制律之和。

等效控制律设计如下：

式中，b为控制输入矩阵。

切换控制律采用是指数趋近律，设计如下：

式中，

滑模变结构控制律为：

式中，ci>0，ci满足多项式p^n-1+cn-1p^n-2+…+c2p+c1为hurwitz矩阵，p为laplace算子。

第三步：由lyapunov稳定性原理，验证本发明的稳定性：

取lyapunov函数为则将式(1)-(4)带入式(5)可得：

因此可以得到设计的控制律可以保证电液关节最终是趋于稳定的。

第四步：为抑制滑模变结构控制中的高频抖振，设计了基于模糊控制的滑模变结构切换控制律：

即采用模糊系统逼近usw，模糊控制器的输入为滑模切换函数s，模糊规则表示为：

s为模糊系统输入量，为模糊输出量，采用乘积推理机、单值解模糊器和中心平均解模糊器，则模糊系统的输出为：

式中，m为模糊规则数量，n为模糊输入数量，为si的隶属函数。

引入向量ξ(s)，式(8)变为：

式中，θ＝(h¹,h²,…h^m)^t，ξ(s)＝(ξ¹(s),ξ¹(s),…ξ^m(s))^t，h为单值解模糊器求取的函数值，放在集合为模糊向量，θ^t根据自适应律变化。

则模糊滑模变结构控制律可设计为：

第五步：为使电液关节负载敏感控制系统具有自适应学习的能力，可定义最优参数为：

式中，ω为θ的集合。

则：

式中，

取lyapunov函数为

则有：

则有：

式中，

因此可设计自适应控制律为：

式中γ>0，将式(18)带入式(17)可得

可见，当时，s≡0，则根据lasalle不变集原理，t→∞时，s→0。

下面将通过实例说明电液关节负载敏感自适应模糊滑模变结构控制方法的控制效果，取电液关节液压系统的状态空间方程如下：

式中，

式中，x为空间状态变量，y为输出压力，u为控制输入电压，a为系统矩阵，b为控制输入矩阵，c为控制输出矩阵。

设计的自适应模糊滑模变结构控制律为：

n＝3，c1≈36084，c2≈124；

模糊输出为：ξ(s)为模糊向量，θ^t根据自适应律变化；

自适应律为：取γ＝160。

经仿真实验验证，本发明在电液关节液压系统控制中取得了较为理想的控制效果。

以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以作出若干简单推演或替换，都应当视为属于本发明的保护范围。