一种水下电动静液作动器干扰补偿控制方法

1.本发明涉及了一种补偿控制方法，具体涉及一种水下电动静液作动器干扰补偿控制方法。


背景技术：

2.电动静液作动器(eha)是一种直驱式容积控制(泵控)电液伺服系统，相对于传统的阀控液压系统具有能量利用效率高，节流损失少的优点，相对于电动机械传动系统容错性高，因此得到广泛应用。
3.在海洋装备领域，传统的液压系统应用已十分广泛，大部分传统的液压控制系统，理论上都可采用eha进行替换，特别是对一体化需求较高的场所。而在一些应用场景中，不仅要求一体化，还对eha的位置控制精度提出了要求，例如水下接插件插拔作业、水下焊接作业、水下闸门的驱动、水下应急剪缆、水下线缆铺设或者多个eha组合成升降平台、多关节机械手搭载在航行器上配合完成作业。在该应用场景中，为了给水下精细作业提供保障，控制精度方面一般要求达到毫米级及以上的位置控制精度。毫米级的控制精度在陆上的eha中，基本可以实现，但是由于水下eha壳体与海水环境进行交互，存在海水附加压力干扰等问题，相对于陆上的eha控制难度更大，因此控制精度很难保障。目前水下的eha的研究工作较少，在结构组成上可借鉴陆上的eha，为了满足水下环境，补偿海水压力，增加海水压力补偿器进行适应性改造，使回油腔的压力与海水的压力近似相等，由于水下eha在结构和使用环境上的改变，如果想实现高精度的运动控制，需重新考虑水下电动静液作动器的系统建模和运动控制算法。


技术实现要素：

4.为了解决背景技术中存在的问题，本发明所提供一种针对新兴起的应用于水下的电动静液作动器，建立了涵盖海水压力补偿器动力学模型的，相对完备的状态空间模型。为了提高水下电动静液作动器的作业精度，提出了一种水下电动静液作动器干扰补偿控制方法，解决了海水压力补偿器的压力波动以及外部的海水环境及负载产生的扰动导致控制精度不高的问题。该方法针对水下电动静液作动器面临的海水压力补偿器部分存在的压力扰动以及未知的外部环境作用力的扰动问题，通过扩张观测器的前馈补偿减少扰动的影响，提高水下电动静液作动器的位置控制精度，通过反步控制法设计反步控制器确保干扰补偿系统的稳定性和鲁棒性。
5.本发明采用的技术方案是：
6.本发明干扰补偿控制方法包括如下步骤：
7.1)建立水下电动静液作动器的状态空间模型。
8.2)在考虑水下电动静液作动器的外部负载力、海水压力补偿器扰动以及总泄漏的情况下，基于水下电动静液作动器，分别设计低阶的第一扩张观测器和低阶的第二扩张观测器；其中，低阶为二阶导数以下。
9.获取水下电动静液作动器的作动杆的位移的测量值、水下电动静液作动器的作动杆的速度的测量值以及水下电动静液作动器的输出作用力的测量值；将水下电动静液作动器的作动杆的速度的测量值以及水下电动静液作动器的输出作用力的测量值输入第一扩张观测器，第一扩张观测器通过前馈的方式输出外部负载力的估计值至状态空间模型。
10.将电动静液作动器的作动杆的位移的测量值以及电动静液作动器的作动杆的速度的测量值输入至第二扩张观测器，第二扩张观测器通过前馈的方式输出海水压力补偿器扰动和总泄漏共同的估计值至状态空间模型。
11.3)通过状态空间模型，使用反步控制法，设计反步控制器，将水下电动静液作动器的作动杆的预设位移、预设速度、位移的测量值、速度的测量值以及水下电动静液作动器的输出作用力的测量值输入反步控制器，反步控制器输出第二步反步法虚拟控制量。
12.4)反步控制器通过第二步反步法虚拟控制量对水下电动静液作动器的电机进行补偿控制，即将第二步反步法虚拟控制量作为水下电动静液作动器的电机的转速，从而实现对水下电动静液作动器的精准控制，以实现控制水下电动静液作动器对预设位置的精准跟踪。
13.即对由反步控制器、第一扩张观测器、第二扩张观测器和状态空间模型共同构成的补偿控制系统进行补偿控制，确保补偿控制系统的整体稳定性。
14.所述的步骤1)中，水下电动静液作动器主要由海水压力补偿器和电动静液作动器构成，电动静液作动器主要包括液压缸、液压泵和电机，海水压力补偿器安装在电动静液作动器的电机上。
15.电动静液作动器的电机连接液压泵，液压泵通过阀块连接液压缸。
16.所述的海水压力补偿器具体为滚动膜片式压力补偿器。
17.所述的步骤1)中，建立的水下电动静液作动器的状态空间模型如下：
[0018][0019][0020][0021]
其中，为电动静液作动器的作动杆的加速度，为电动静液作动器的作动杆的速度；m
l
为电动静液作动器的惯性负载和液压缸的活塞的总质量；f
l
为电动静液作动器的输出作用力；bm为电动静液作动器的液压缸阻尼系数；f(t)为t时刻电动静液作动器的外部负载力；为电动静液作动器的输出作用力的一阶导数；βe为油液弹性模量；电动静液作动器的液压缸包括无杆腔和有杆腔，a1和a2分别为液压缸的无杆腔的活塞面积和有杆腔的活塞面积；v1和v2分别为液压缸的无杆腔的容积以及有杆腔的容积；q
p
为电动静液作动器的液压泵的出口流量；为海水压力补偿器的速度；vc为海水压力补偿器的容积，vc＝v
c0-aexc，v
c0
为海水压力补偿器的初始容积，xc为海水压力补偿器的位移；k
x
为海水压力补偿器的滚动膜片和弹簧的复合刚度；ae为海水压力补偿器的滚动膜片等效面积；l1为无杆腔和有杆腔的外泄漏的总和，l2为无杆腔和有杆腔的内泄漏的总和。
[0022]
所述的电动静液作动器的输出作用力f
l
如下：
[0023]fl
＝(p
1-p
s0
)a
1-(p
2-p
s0
)a2[0024]
其中，电动静液作动器的液压缸主要包括无杆腔和有杆腔，p1和p2分别为电动静液作动器的液压缸的无杆腔的压力和有杆腔的压力；p
s0
为外部海水压力。
[0025]
所述的电动静液作动器的液压泵的出口流量q
p
具体如下：
[0026]qp
＝d
p
·
w-l
p
[0027]
其中，d
p
为液压泵的排量，w为液压泵的转速，l
p
为液压泵的内泄漏和外泄漏的总和。
[0028]
所述的步骤2)中，所述的水下电动静液作动器的外部负载力为电动静液作动器的外部负载力；所述的电动静液作动器上安装有位移传感器、速度传感器和两个压力传感器，位移传感器测量获得电动静液作动器的作动杆的位移的测量值，即水下电动静液作动器的作动杆的位移的测量值；速度传感器观测获得电动静液作动器的作动杆的速度的测量值，即水下电动静液作动器的作动杆的速度的测量值；
[0029]
两个压力传感器分别观测获得电动静液作动器的液压缸的无杆腔的压力的测量值和有杆腔的压力的测量值，进而获得电动静液作动器的输出作用力的测量值，即水下电动静液作动器的输出作用力的测量值；位移传感器和速度传感器安装于液压缸的内部，两个压力传感器分别安装于液压缸的进油口和出油口；
[0030]
所述的水下电动静液作动器的总泄漏为液压缸两腔的外泄漏和内泄漏总和以及液压泵的外泄漏和内泄漏总和。
[0031]
在考虑电动静液作动器的外部负载扰动、海水压力补偿器扰动以及总泄漏的情况下，基于水下电动静液作动器，分别设计低阶的第一扩张观测器和低阶的第二扩张观测器。
[0032]
所述的第一扩张观测器如下：
[0033][0034][0035]
其中，为电动静液作动器的作动杆的速度的估计值的一阶导数，为电动静液作动器的作动杆的速度的估计值，f为电动静液作动器的外部负载力，为电动静液作动器的外部负载力的估计值；λ1和λ2分别为第一扩张观测器和第二扩张观测器的增益系数，同时满足特征多项式s2+sλ1+λ2＝0，满足赫尔维茨hurwitz稳定条件，并且特征多项式的特征根的实部小于0；ε1为第一扩张观测器和第二扩张观测器的补偿参数，取值范围为0-1。
[0036]
r1(y2,y3,t)为t时刻第一扩张观测器的系统状态函数，公式如下：
[0037][0038]
其中，y2为电动静液作动器的作动杆的速度的测量值，y3为电动静液作动器的输出作用力f
l
的测量值。
[0039]
所述的第二扩张观测器如下：
[0040][0041][0042]
其中，为电动静液作动器的输出作用力f
l
的估计值的一阶导数，为电动静液作动器的输出作用力f
l
的估计值；为海水压力补偿器扰动和总泄漏共同的估计值。
[0043]
r2(y1,y2,t,w)为t时刻第二扩张观测器的系统状态函数，公式如下：
[0044]
r2(y1,y2,t,w)＝-α(t,y1)y2+β(t,y1)d
pw[0045]
其中，y1为电动静液作动器的作动杆的位移x
l
的测量值，α(t,y1)和β(t,y1)均为t时刻电动静液作动器的作动杆的位移x
l
相关的非线性时变参数；d
p
为电动静液作动器的液压泵的排量，w为电动静液作动器的液压泵的转速。
[0046]
通过第一扩张观测器观测外部负载力，并通过前馈的方式输出外部负载力的估计值至状态空间模型；通过第二扩张观测器观测海水压力补偿器扰动和总泄漏，并通过前馈的方式输出海水压力补偿器扰动和总泄漏共同的估计值至状态空间模型。
[0047]
所述的步骤3)中，通过状态空间模型，使用反步控制法，获得反步控制器如下：
[0048]
wd＝w
d1
+w
d2
[0049][0050][0051]
z3＝y
3-f
ld
[0052]
z3(w
d2
+δd2)≤ε3[0053]
z3w
d2
≤0
[0054][0055]fld
＝f
ld1
+f
ld2
[0056][0057][0058]
z2(f
ld2
+δd1)≤ε2[0059]
z2f
ld2
≤0
[0060][0061]
其中，wd为第二步反步法虚拟控制量，w
d1
为用于状态空间模型补偿和补偿控制系统稳定的第二反步控制参数；w
d2
为消除观测误差的第二鲁棒参数；为第一步反步法虚拟控制量f
ld
的一阶导数，f
ld
为第一步反步法虚拟控制量；k3为预设第二反馈增益，z3为电动静液作动器的输出作用力f
l
的测量值y3和第一步反步法虚拟控制量f
ld
的误差，ε3为第二鲁棒
控制率的补偿参数；γ为海水压力补偿器扰动和总泄漏，为海水压力补偿器扰动和总泄漏共同的估计值，δd2为t时刻海水压力补偿器扰动和总泄漏与海水压力补偿器扰动和总泄漏共同的估计值之间的误差；f
ld1
为用于干扰状态空间模型补偿和补偿控制系统稳定的第一反步控制参数，f
ld2
为消除观测误差的第一鲁棒参数；为电动静液作动器的作动杆的预设加速度；k2是预设第二反馈增益；z2为电动静液作动器的作动杆的速度的测量值y2与电动静液作动器的作动杆的预设速度x
2eq
的误差，z2＝y
2-x
2eq
；ε2为第一鲁棒控制率的补偿参数；δd1为电动静液作动器的外部负载力和电动静液作动器的外部负载力的估计值之间的误差。
[0062]
所述的电动静液作动器的作动杆的预设速度x
2eq
如下：
[0063]
x
2eq
＝x
1d-k1z1[0064]
z1＝y
1-x
1d
[0065]
其中，x
1d
为电动静液作动器的作动杆的预设位移，k1为预设第一反馈增益，z1为电动静液作动器的作动杆的位移x
l
的测量值y1和预设位移x
1d
的误差。
[0066]
将电动静液作动器的作动杆的预设位移x
1d
、预设速度x
2eq
、位移x
l
的测量值y1，速度的测量值y2和电动静液作动器的输出作用力f
l
的测量值y3输入反步控制器，反步控制器进而输出第二步反步法虚拟控制量wd。
[0067]
本发明的有益效果是：
[0068]
与现有技术相比，本发明针对水下电动静液作动器建立的涵盖海水压力补偿器的状态空间模型，并基于该模型，设计了两个低阶的扩张观测器，用于观测未知的外部负载力以及不可测量的海水压力补偿器的压力扰动等，通过反步法控制器确保了整体系统的稳定性，通过扩张观测器观测值的前馈补偿，提高了水下电动静液作动器的位置控制精度，为水下作业提供了保障。
附图说明
[0069]
图1为本发明补偿控制系统示意图；
[0070]
图2为本发明第一扩张观测器的干扰观测结果示意图；
[0071]
图3为本发明第二扩张观测器的干扰观测结果示意图；
[0072]
图4为本发明位置跟踪结果对比示意图；
[0073]
图5为本发明位置跟踪误差结果对比示意图。
具体实施方式
[0074]
下面结合附图及具体实施例对本发明作进一步详细说明。
[0075]
本发明干扰补偿控制方法包括如下步骤：
[0076]
1)建立水下电动静液作动器的状态空间模型；水下电动静液作动器主要由海水压力补偿器和电动静液作动器构成，电动静液作动器主要包括液压缸、液压泵和电机，海水压力补偿器安装在电动静液作动器的电机上。电动静液作动器的电机连接液压泵，液压泵通过阀块连接液压缸。海水压力补偿器具体为滚动膜片式压力补偿器。
[0077]
建立的水下电动静液作动器的状态空间模型如下：
[0078][0079][0080][0081]
其中，为电动静液作动器的作动杆的加速度，为电动静液作动器的作动杆的速度；m
l
为电动静液作动器的惯性负载和液压缸的活塞的总质量；f
l
为电动静液作动器的输出作用力；bm为电动静液作动器的液压缸阻尼系数；f(t)为t时刻电动静液作动器的外部负载力；为电动静液作动器的输出作用力的一阶导数；βe为油液弹性模量；电动静液作动器的液压缸包括无杆腔和有杆腔，a1和a2分别为液压缸的无杆腔的活塞面积和有杆腔的活塞面积；v1和v2分别为液压缸的无杆腔的容积以及有杆腔的容积；q
p
为电动静液作动器的液压泵的出口流量；为海水压力补偿器的速度；vc为海水压力补偿器的容积，vc＝v
c0-aexc，v
c0
为海水压力补偿器的初始容积，xc为海水压力补偿器的位移；k
x
为海水压力补偿器的滚动膜片和弹簧的复合刚度；ae为海水压力补偿器的滚动膜片等效面积；l1为无杆腔和有杆腔的外泄漏的总和，l2为无杆腔和有杆腔的内泄漏的总和。
[0082]
电动静液作动器的输出作用力f
l
如下：
[0083]fl
＝(p
1-p
s0
)a
1-(p
2-p
s0
)a2[0084]
其中，电动静液作动器的液压缸主要包括无杆腔和有杆腔，p1和p2分别为电动静液作动器的液压缸的无杆腔的压力和有杆腔的压力；p
s0
为外部海水压力。
[0085]
电动静液作动器的液压泵的出口流量q
p
具体如下：
[0086]qp
＝d
p
·
w-l
p
[0087]
其中，d
p
为液压泵的排量，w为液压泵的转速，l
p
为液压泵的内泄漏和外泄漏的总和。
[0088]
2)在考虑水下电动静液作动器的外部负载力、海水压力补偿器扰动以及总泄漏的情况下，基于水下电动静液作动器，分别设计低阶的第一扩张观测器和低阶的第二扩张观测器；其中，低阶为二阶导数以下。
[0089]
获取水下电动静液作动器的作动杆的位移的测量值、水下电动静液作动器的作动杆的速度的测量值以及水下电动静液作动器的输出作用力的测量值；将水下电动静液作动器的作动杆的速度的测量值以及水下电动静液作动器的输出作用力的测量值输入第一扩张观测器，第一扩张观测器通过前馈的方式输出外部负载力的估计值至状态空间模型。
[0090]
将电动静液作动器的作动杆的位移的测量值以及电动静液作动器的作动杆的速度的测量值输入至第二扩张观测器，第二扩张观测器通过前馈的方式输出海水压力补偿器扰动和总泄漏共同的估计值至状态空间模型。
[0091]
水下电动静液作动器的外部负载力为电动静液作动器的外部负载力；所述的电动静液作动器上安装有位移传感器、速度传感器和两个压力传感器，位移传感器测量获得电动静液作动器的作动杆的位移的测量值，即水下电动静液作动器的作动杆的位移的测量值；速度传感器观测获得电动静液作动器的作动杆的速度的测量值，即水下电动静液作动
器的作动杆的速度的测量值。
[0092]
两个压力传感器分别观测获得电动静液作动器的液压缸的无杆腔的压力的测量值和有杆腔的压力的测量值，进而获得电动静液作动器的输出作用力的测量值，即水下电动静液作动器的输出作用力的测量值；位移传感器和速度传感器安装于液压缸的内部，两个压力传感器分别安装于液压缸的进油口和出油口。水下电动静液作动器的总泄漏为液压缸两腔的外泄漏和内泄漏总和以及液压泵的外泄漏和内泄漏总和。
[0093]
在考虑电动静液作动器的外部负载扰动、海水压力补偿器扰动以及总泄漏的情况下，基于水下电动静液作动器，分别设计低阶的第一扩张观测器和低阶的第二扩张观测器。
[0094]
所第一扩张观测器如下：
[0095][0096][0097]
其中，为电动静液作动器的作动杆的速度的估计值的一阶导数，为电动静液作动器的作动杆的速度的估计值，f为电动静液作动器的外部负载力，为电动静液作动器的外部负载力的估计值；λ1和λ2分别为第一扩张观测器和第二扩张观测器的增益系数，同时满足特征多项式s2+sλ1+λ2＝0，满足赫尔维茨hurwitz稳定条件，并且特征多项式的特征根的实部小于0；ε1为第一扩张观测器和第二扩张观测器的补偿参数，取值范围为0-1。
[0098]
r1(y2,y3,t)为t时刻第一扩张观测器的系统状态函数，公式如下：
[0099][0100]
其中，y2为电动静液作动器的作动杆的速度的测量值，y3为电动静液作动器的输出作用力f
l
的测量值。
[0101]
第二扩张观测器如下：
[0102][0103][0104]
其中，为电动静液作动器的输出作用力fl的估计值的一阶导数，为电动静液作动器的输出作用力f
l
的估计值；为海水压力补偿器扰动和总泄漏共同的估计值。
[0105]
r2(y1,y2,t,w)为t时刻第二扩张观测器的系统状态函数，公式如下：
[0106]
r2(y1,y2,t,w)＝-α(t,y1)y2+β(t,y1)d
pw[0107]
其中，y1为电动静液作动器的作动杆的位移x
l
的测量值，α(t,y1)和β(t,y1)均为t时刻电动静液作动器的作动杆的位移x
l
相关的非线性时变参数；d
p
为电动静液作动器的液压泵的排量，w为电动静液作动器的液压泵的转速。
[0108]
通过第一扩张观测器观测外部负载力，并通过前馈的方式输出外部负载力的估计
[0127]
z1＝y
1-x
1d
[0128]
其中，x
1d
为电动静液作动器的作动杆的预设位移，k1为预设第一反馈增益，z1为电动静液作动器的作动杆的位移x
l
测量值y1和预设位移x
1d
的误差。
[0129]
将电动静液作动器的作动杆的预设位移x
1d
、预设速度x
2eq
、位移x
l
的测量值y1，速度的测量值y2和电动静液作动器的输出作用力f
l
的测量值y3输入反步控制器，反步控制器进而输出第二步反步法虚拟控制量wd。
[0130]
4)反步控制器通过第二步反步法虚拟控制量对水下电动静液作动器的电机进行补偿控制，即将第二步反步法虚拟控制量作为水下电动静液作动器的电机的转速，从而实现对水下电动静液作动器的精准控制，以实现控制水下电动静液作动器对预设位置的精准跟踪。
[0131]
如图1所示，即对由反步控制器、第一扩张观测器、第二扩张观测器和状态空间模型共同构成的补偿控制系统进行补偿控制，确保补偿控制系统的整体稳定性。
[0132]
具体实施例：
[0133]
本发明对上述的方法进行了基于电动静液作动器模型的仿真，分析了两个扩张观测器的观测效果以及所反步控制器的控制效果，并与无扩张观测器的反步控制器进行了对比，验证了本发明控制方法的有效性。
[0134]
在反步控制器及扩张观测器的参数建立方面，所建立的基于干扰补偿的反步控制器的控制器反馈增益参数选择：预设第一反馈增益k1＝30、预设第二反馈增益k2＝80、预设第三反馈增益k3＝200；第一鲁棒控制率的补偿参数ε2＝0.001、第二鲁棒控制率的补偿参数ε3＝0.001；两个扩张观测器的增益参数选择：第一扩张观测器的增益系数λ1＝10.8、第二扩张观测器的增益系数λ2＝20.8；扩张观测器的补偿参数选择：第一扩张观测器和第二扩张观测器的补偿参数ε1＝0.01。
[0135]
在仿真参数设置方面：t时刻电动静液作动器的外部负载力f(t)的假设输入为：
[0136][0137]
水下电动静液作动器的具体仿真参数如下表：
[0138][0139][0140]
其中，l
1,2,p
为水下电动静液作动器的总泄漏。
[0141]
如图2所示，为第一扩张观测器的干扰观测结果；如图3所示，为第二扩张观测器的干扰观测结果中的海水压力补偿器扰动干扰观测结果。
[0142]
如图4和图5所示，为基于干扰补偿的反步控制器的位置跟踪效果，如图4为基于干扰观测的反步控制器与无干扰观测的反步控制器的位置跟踪对比，如图5为基于干扰观测的反步控制器与无干扰观测的反步控制器的位置跟踪误差对比。
[0143]
通过仿真结果可以看出，基于干扰观测的水下电动静液作动器、反步控制器在时变的外部负载力和未知的海水压力补偿器压力波动干扰的情况下，能够实现良好的位置跟踪。相比于无扩张观测器的反步控制器，克服了海水压力补偿器的压力波动干扰、未知的外部负载力干扰以及总泄漏，提高了位置跟踪精度约100倍，使得位置跟踪误差更小，达到约达到0.01mm，可见跟踪效果良好。