[发明专利]电液关节负载敏感自适应模糊滑模控制方法

说明书

本发明基于液压机器人提出电液关节负载敏感自适应模糊滑模控制方法。根据负载敏感控制原理，针对电液关节液压系统确立负载敏感控制策略，搭建电液关节负载敏感控制系统；采用现代控制理论建立机器人电液关节液压系统动力学方程，以动力学方程为基础设计了自适应模糊滑模变结构控制算法。本发明的有益效果是：当电液关节的负载变动时，控制器的压力补偿的实时性好、精度高，实现了电液关节液压系统的负载敏感特性，且自适应模糊滑模变结构控制器的系统响应特性、鲁棒性、对干扰的适应性、抖振现象消除等控制效果较为理想。

技术领域

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。

发明内容

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p_h1，所有液压油管路压降等效值为p_h2，则所有液压油压降值为p_h(p_h1+p_h2)。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+p_h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＝p_h+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u_sw表示，表达如下：