一种电动静液弹性作动器的力跟踪控制方法

1.本发明涉及了一种力跟踪控制方法，具体涉及一种电动静液弹性作动器的力跟踪控制方法。

背景技术：

2.跟踪控制技术现已成为执行器必备的功能之一，因此力控制的研究领域得到了广泛的关注。其中为了实现良好的力跟踪控制性能，采用弹性作动器已成为一种有效的解决方案。这种方案被广泛应用于机械臂、人机交互机器人、遥操作执行器中。电动静液式的弹性作动器，由于采用液压驱动，相对于现有的电动弹性作动器具有力矩输出大、质量功率比大等优点，在重载领域具有良好的应用潜力，因此电动静液式的弹性作动器的力跟踪控制方法的研究工作具有重要意义。
3.目前电动静液弹性作动器的样机已有相关研究工作，而精准的力控制研究较少。主要面临的问题包括两个方面。第一：液压系统严重的非线性和模型不确定性；第二：未知的外界环境。现有的力跟踪控制方法中，阻抗控制是一种可实现未知环境下力跟踪控制的方法，通过阻抗模型实现对外界未知环境的柔顺性，然而力跟踪精度难以保障。在加工制造、膜具冲压、打磨等领域，精准的力控制关系到产品的质量，因此开展未知环境下，精准的力跟踪阻抗控制是亟待解决的关键技术。随着控制技术的发展，自适应控制、鲁棒控制等控制方法在实际中得到广泛的应用，采用自适应技术估计外界的未知环境，并且采用鲁棒控制克服液压系统自身的非线性和模型不确定性可解决力跟踪阻抗控制的难题。

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电动静液弹性作动器的力跟踪控制方法。
5.本发明采用的技术方案是：
6.本发明的力跟踪控制方法包括如下步骤：
7.步骤一：建立电动静液弹性作动器的动力学模型；根据动力学模型使用反步控制法建立满足反馈约束的鲁棒位置控制器，将液压缸的活塞杆的位移输入鲁棒位置控制器中处理，鲁棒位置控制器输出电机的控制转速，将电机的控制转速输入电动静液弹性作动器中控制电机，获取电动静液弹性作动器与外界环境的接触力和负载质量块运动的位移。
8.步骤二：建立电动静液弹性作动器与外界环境交互的环境参数估计器，将负载质量块运动的位移和电动静液弹性作动器与外界环境的接触力输入环境参数估计器中处理，环境参数估计器输出环境弹性系数估计值。
9.步骤三：建立阻抗位置信号跟踪器，将电动静液弹性作动器与外界环境的接触力和环境弹性系数估计值输入阻抗位置信号跟踪器中处理，阻抗位置信号跟踪器输出液压缸的活塞杆的位移的最终位置跟踪信号，对液压缸的活塞杆的位移进行位置跟踪，从而实现电动静液弹性作动器的力跟踪控制。液压缸的活塞杆的位移的最终位置跟踪信号进一步输
入至鲁棒位置控制器中对液压缸活塞杆的位移进行下一轮的位置跟踪。
10.所述的步骤一中，电动静液弹性作动器包括电机、液压缸、液压缸的活塞杆、液压泵和弹性作动器，弹性作动器的内部开设有安装槽，安装槽内安装有弹簧，液压缸的活塞杆的末端穿设过弹性作动器紧压弹簧的一端，弹簧的另一端抵住安装槽的槽壁，弹性作动器远离液压缸的活塞杆的一侧安装有负载质量块，负载质量块通过螺纹或法兰盘连接方式与外部负载连接，带动外部负载运动，完成作业任务；液压缸的活塞杆和负载质量块上均安装有位移传感器。
11.电机带动液压泵将液压油泵入液压缸的两腔，液压缸的两腔压差驱动液压缸的活塞杆运动；弹性作动器为圆柱形，内部开设有安装槽，用于安装弹簧，弹性作动器的端面开设安装孔，活塞输出杆通过安装孔与弹性作动器内部的弹簧连接，内部弹簧具有预压紧力，使得活塞杆与弹簧紧密接触。
12.所述的步骤一中，建立的电动静液弹性作动器的动力学模型具体如下：
[0013][0014][0015][0016]
其中，m
cyl
为液压缸的活塞杆的质量；x
cyl
为液压缸的活塞杆的位移，为位移传感器采集的液压缸的活塞杆运动的速度，为液压缸的活塞杆运动的加速度；b
cyl
为液压缸活塞杆的摩擦阻尼；ks为弹性作动器内部的弹簧的弹性系数；x
load
为位移传感器采集的负载质量块运动的位移，为负载质量块运动的速度，为负载质量块运动的加速度；f1为液压缸两腔产生的液压驱动力，为液压缸两腔产生的液压驱动力的微分；m
load
为负载质量块的质量；be为外部环境的阻尼系数；ke为电动静液弹性作动器与外部环境交互的弹性系数；α()、β( )和分别为动力学模型的第一、第二和第三非线性模型参数；w
p
为电动静液弹性作动器的电机的控制转速；d1为液压系统总的模型不确定项，具体包括动力学模型参数不确定导致的模型不确定项以及无法建模的不确定项。
[0017]
所述的步骤一中，建立的满足反馈约束的鲁棒位置控制器具体如下：
[0018][0019][0020]ws1
＝-k3z3[0021]ws2
＝-k
3s2
z3[0022][0023]
x
5eq
＝x
5eqa
+x
5eqs1
[0024][0025]
x
5eqs1
＝-k2z2[0026]
[0027][0028][0029]
其中，w
p
为第三反步控制律，即电动静液弹性作动器的电机的控制转速；wa为第三反步控制律的模型补偿项，w
s1
为第三反步控制律的线性误差反馈项，w
s2
为第三反步控制律的非线性误差反馈项；x5eq为第二反步控制律，为第二反步控制律的微分项；k3第三反步控制率的线性反馈增益，z3为液压缸的活塞杆的实际运动加速度信号与第二反步控制律之间的偏差；k
3s2
第三反步控制率的非线性反馈增益；x
5eqa
为第二反步控制律的模型补偿项，x
5eqs1
为第二反步控制律的误差反馈项；x
4eq
为第一反步控制律；为第一反步控制律的微分项；k2为第二反步控制率的线性反馈增益，z2为液压缸的活塞杆的实际运动速度信号与第一反步控制律之间的偏差；xc为液压缸的活塞杆的位移的最终位置跟踪信号，为液压缸的活塞杆的位移的最终位置跟踪信号的微分；k1为第一反步控制率的线性反馈增益，z1为液压缸的活塞杆的实际运动位置信号与液压缸的活塞杆的位移的最终位置跟踪信号xc之间的偏差。
[0030]
第三反步控制律w
p
作为鲁棒控制器的输出，传输至电动静液弹性作动器的电机中从而实现控制，电机为伺服电机，具备速度闭环控制功能，第三反步控制律w
p
输入至电机中控制电机，电机带动液压泵工作，液压泵通过泵入泵出液压油，推动液压缸的活塞杆运动。
[0031]
基于电动静液弹性作动器的动力学模型设计位置跟踪控制器，即鲁棒位置控制器，鲁棒位置控制器采用反步法，克服液压系统的高阶特性，利用鲁棒控制方法，克服系统的参数不确定和不确定非线性，最终实现以跟踪轨迹为输入，电机的转速控制为输出的位置跟踪控制器。
[0032]
所述的反馈约束具体如下：
[0033]
z3(k
3s2-d1)≤ε3[0034]k3s2
≤0.
[0035]
其中，ε3为足够小的预设参数。
[0036]
所述的步骤二中，建立的电动静液弹性作动器与外界环境交互的环境参数估计器具体如下：
[0037][0038][0039][0040][0041][0042]
其中，为环境参数估计矩阵，为环境参数估计矩阵的微分；为环境弹性系数估计值，ke为环境弹性系数；为环境阻尼系数估计值，be为环境阻尼系数；γ为正定的自适应参数矩阵；φ为电动静液弹性作动器的参数测量矩阵；fe为力传感器测量的电动静液
弹性作动器与外界环境的接触力；为电动静液弹性作动器与外界环境的接触力的估计误差，为电动静液弹性作动器与外界环境的接触力的估计值；xe为外界环境的位移。力传感器安装在电动静液弹性作动器上。
[0043]
外界环境的参数估计是产生最终位置跟踪信号的前提，基于建立的模型估计作动器与环境的接触力，利用估计力和作动器末端力传感器反馈的力信息，设计环境参数自适应律，自适应律采用梯度下降法，实现环境参数的在线估计。
[0044]
所述的步骤三中，建立阻抗位置信号跟踪器包括阻抗模型、位置信号轨迹生成器和位置信号跟踪器，具体如下：
[0045]
a)阻抗模型：
[0046][0047]
e＝f
r-fs[0048]
其中，x
p
为基于力跟踪误差的液压缸的活塞杆的位移的第一位置跟踪信号；e为电动静液弹性作动器与外界环境的接触力误差；m
t
为阻抗模型的质量参数，b
t
为阻抗模型的阻尼参数，k
t
为阻抗模型的弹性参数，s为阻抗模型的频域中的变量；fr为电动静液弹性作动器与外界环境的预设接触力。
[0049]
b)位置信号轨迹生成器：
[0050][0051][0052]
其中，xr为基于环境信息参数的液压缸的活塞杆的位移的第二位置跟踪信号；xe为外界环境的位移；k
es
为位置信号轨迹生成器的预设参数；为环境弹性系数估计值。
[0053]
c)位置信号跟踪器
[0054]
xc＝x
p
+xr[0055]
其中，xc为液压缸的活塞杆的位移的最终位置跟踪信号。
[0056]
通过稳定性分析可得在稳态时，阻抗位置信号生成器可实现精准的力跟踪效果。
[0057]
本发明的有益效果是：
[0058]
本发明针对电动静液弹性作动器在未知的外界环境下，设计了一种力跟踪控制器，该控制器在稳态时，力跟踪误差可收敛至零，在动态过程中，相比于pid控制，具有更快的动态响应。因此在力控制精度要求较高的液压驱动领域，具有重要的应用价值。
附图说明
[0059]
图1为本发明力跟踪控制框架图；
[0060]
图2为本发明两种力跟踪控制器的跟踪曲线图；
[0061]
图3为本发明两个控制器的力跟踪误差示意图；
[0062]
图4为本发明环境参数估计性能示意图。
[0078][0079]
x
5eq
＝x
5eqa
+x
5eqs1
[0080][0081]
x
5eqs1
＝-k2z2[0082][0083][0084][0085]
其中，w
p
为第三反步控制律，即电动静液弹性作动器的电机的控制转速；wa为第三反步控制律的模型补偿项，w
s1
为第三反步控制律的线性误差反馈项，w
s2
为第三反步控制律的非线性误差反馈项；x
5eq
为第二反步控制律，为第二反步控制律的微分项；k3第三反步控制率的线性反馈增益，z3为液压缸的活塞杆的实际运动加速度信号与第二反步控制律之间的偏差；k
3s2
第三反步控制率的非线性反馈增益；x
5eqa
为第二反步控制律的模型补偿项，x
5eqs1
为第二反步控制律的误差反馈项；x
4eq
为第一反步控制律；为第一反步控制律的微分项；k2为第二反步控制率的线性反馈增益，z2为液压缸的活塞杆的实际运动速度信号与第一反步控制律之间的偏差；xc为液压缸的活塞杆的位移的最终位置跟踪信号，为液压缸的活塞杆的位移的最终位置跟踪信号的微分；k1为第一反步控制率的线性反馈增益，z1为液压缸的活塞杆的实际运动位置信号与液压缸的活塞杆的位移的最终位置跟踪信号xc之间的偏差。
[0086]
第三反步控制律w
p
作为鲁棒控制器的输出，传输至电动静液弹性作动器的电机中从而实现控制，电机为伺服电机，具备速度闭环控制功能，第三反步控制律w
p
输入至电机中控制电机，电机带动液压泵工作，液压泵通过泵入泵出液压油，推动液压缸的活塞杆运动。
[0087]
基于电动静液弹性作动器的动力学模型设计位置跟踪控制器，即鲁棒位置控制器，鲁棒位置控制器采用反步法，克服液压系统的高阶特性，利用鲁棒控制方法，克服系统的参数不确定和不确定非线性，最终实现以跟踪轨迹为输入，电机的转速控制为输出的位置跟踪控制器。
[0088]
反馈约束具体如下：
[0089]
z3(k
3s2-d1)≤ε3[0090]k3s2
≤0.
[0091]
其中，ε3为足够小的预设参数。
[0092]
步骤二：建立电动静液弹性作动器与外界环境交互的环境参数估计器，将负载质量块运动的位移和电动静液弹性作动器与外界环境的接触力输入环境参数估计器中处理，环境参数估计器输出环境弹性系数估计值。
[0093]
步骤二中，建立的电动静液弹性作动器与外界环境交互的环境参数估计器具体如下：
[0094]
[0095][0096][0097][0098][0099]
其中，为环境参数估计矩阵，为环境参数估计矩阵的微分；为环境弹性系数估计值，ke为环境弹性系数；为环境阻尼系数估计值，be为环境阻尼系数；γ为正定的自适应参数矩阵；φ为电动静液弹性作动器的参数测量矩阵；fe为力传感器测量的电动静液弹性作动器与外界环境的接触力；为电动静液弹性作动器与外界环境的接触力的估计误差，为电动静液弹性作动器与外界环境的接触力的估计值；xe为外界环境的位移。力传感器安装在电动静液弹性作动器上。
[0100]
外界环境的参数估计是产生最终位置跟踪信号的前提，基于建立的模型估计作动器与环境的接触力，利用估计力和作动器末端力传感器反馈的力信息，设计环境参数自适应律，自适应律采用梯度下降法，实现环境参数的在线估计。
[0101]
步骤三：建立阻抗位置信号跟踪器，将电动静液弹性作动器与外界环境的接触力和环境弹性系数估计值输入阻抗位置信号跟踪器中处理，阻抗位置信号跟踪器输出液压缸的活塞杆的位移的最终位置跟踪信号，对液压缸的活塞杆的位移进行位置跟踪，从而实现电动静液弹性作动器的力跟踪控制。液压缸的活塞杆的位移的最终位置跟踪信号进一步输入至鲁棒位置控制器中对液压缸活塞杆的位移进行下一轮的位置跟踪。
[0102]
步骤三中，建立阻抗位置信号跟踪器包括阻抗模型、位置信号轨迹生成器和位置信号跟踪器，具体如下：
[0103]
a)阻抗模型：
[0104][0105]
e＝f
r-fs[0106]
其中，x
p
为基于力跟踪误差的液压缸的活塞杆的位移的第一位置跟踪信号；e为电动静液弹性作动器与外界环境的接触力误差；m
t
为阻抗模型的质量参数，b
t
为阻抗模型的阻尼参数，k
t
为阻抗模型的弹性参数，s为阻抗模型的频域中的变量；fr为电动静液弹性作动器与外界环境的预设接触力。
[0107]
b)位置信号轨迹生成器：
[0108][0109][0110]
其中，xr为基于环境信息参数的液压缸的活塞杆的位移的第二位置跟踪信号；xe为外界环境的位移；k
es
为位置信号轨迹生成器的预设参数；为环境弹性系数估计值。
[0111]
c)位置信号跟踪器
[0112]
xc＝x
p
+xr[0113]
其中，xc为液压缸的活塞杆的位移的最终位置跟踪信号。
[0114]
通过稳定性分析可得在稳态时，阻抗位置信号生成器可实现精准的力跟踪效果。
[0115]
本发明对上述的方法进行了数字仿真，分析了本发明力跟踪控制器的力跟踪效果，并于pid力控制器进行对比，验证本发明方法的有效性。
[0116]
在力跟踪控制器的仿真参数设置方面：
[0117]
本发明鲁棒位置跟踪控制器的反馈增益参数选择：
[0118][0119]
pid力跟踪控制控制器设计如下
[0120][0121]
其中，u为pid力跟踪控制控制器的控制输出；k
p
、ki和kd分别为pid力跟踪控制控制器的增益参数，选择为：k
p
＝100，ki＝10，kd＝0.1。
[0122]
环境参数估计器的正定的自适应参数矩阵选择：
[0123][0124]
阻抗模型参数选择：
[0125]mt
＝10，b
t
＝100，k
t
＝250
[0126]
电动静液弹性作动器的模型参数如下表1所示：
[0127]
表1
[0128][0129]
如图2所示，为本发明提出的力跟踪控制器的力跟踪效果与pid力控制器的力跟踪效果对比，如图3为本发明提出的力跟踪控制器的力跟踪误差与pid控制器的力跟踪控制器的力跟踪误差，其中图中c1是本发明提出的力跟踪控制器，c2为pid力控制器。图4为环境参数估计器的参数估计效果。
[0130]
通过仿真结果可以看出，本发明所提出的力跟踪控制器具有更快的动态响应性能，能够更快的跟踪预设的接触力，在稳态时，力跟踪误差更小，跟踪精度相对于pid力跟踪控制方法提高了10倍。

技术特征：

1.一种电动静液弹性作动器的力跟踪控制方法，其特征在于：方法包括如下步骤：步骤一：建立电动静液弹性作动器的动力学模型；根据动力学模型使用反步控制法建立满足反馈约束的鲁棒位置控制器，将液压缸的活塞杆的位移输入鲁棒位置控制器中处理，鲁棒位置控制器输出电机的控制转速，将电机的控制转速输入电动静液弹性作动器中控制电机，获取电动静液弹性作动器与外界环境的接触力和负载质量块运动的位移；步骤二：建立电动静液弹性作动器与外界环境交互的环境参数估计器，将负载质量块运动的位移和电动静液弹性作动器与外界环境的接触力输入环境参数估计器中处理，环境参数估计器输出环境弹性系数估计值；步骤三：建立阻抗位置信号跟踪器，将电动静液弹性作动器与外界环境的接触力和环境弹性系数估计值输入阻抗位置信号跟踪器中处理，阻抗位置信号跟踪器输出液压缸的活塞杆的位移的最终位置跟踪信号，对液压缸的活塞杆的位移进行位置跟踪，从而实现电动静液弹性作动器的力跟踪控制。2.根据权利要求1所述的一种电动静液弹性作动器的力跟踪控制方法，其特征在于：所述的步骤一中，电动静液弹性作动器包括电机、液压缸、液压缸的活塞杆、液压泵和弹性作动器，弹性作动器的内部开设有安装槽，安装槽内安装有弹簧，液压缸的活塞杆的末端穿设过弹性作动器紧压弹簧的一端，弹簧的另一端抵住安装槽的槽壁，弹性作动器远离液压缸的活塞杆的一侧安装有负载质量块。3.根据权利要求2所述的一种电动静液弹性作动器的力跟踪控制方法，其特征在于：所述的步骤一中，建立的电动静液弹性作动器的动力学模型具体如下：述的步骤一中，建立的电动静液弹性作动器的动力学模型具体如下：述的步骤一中，建立的电动静液弹性作动器的动力学模型具体如下：其中，m
cyl
为液压缸的活塞杆的质量；x
cyl
为液压缸的活塞杆的位移，为液压缸的活塞杆运动的速度，为液压缸的活塞杆运动的加速度；b
cyl
为液压缸活塞杆的摩擦阻尼；k
s
为弹性作动器内部的弹簧的弹性系数；x
load
为负载质量块运动的位移，为负载质量块运动的速度，为负载质量块运动的加速度；f1为液压缸两腔产生的液压驱动力，为液压缸两腔产生的液压驱动力的微分；m
load
为负载质量块的质量；b
e
为外部环境的阻尼系数；k
e
为电动静液弹性作动器与外部环境交互的弹性系数；α()、β()和分别为动力学模型的第一、第二和第三非线性模型参数；w
p
为电动静液弹性作动器的电机的控制转速；d1为液压系统总的模型不确定项。4.根据权利要求3所述的一种电动静液弹性作动器的力跟踪控制方法，其特征在于：所述的步骤一中，建立的满足反馈约束的鲁棒位置控制器具体如下：
w
s1
＝-k3z3w
s2
＝-k
3s2
z3x
5eq
＝x
5eqa
+x
5eqs1
x
5eqs1
＝-k2z
222
其中，w
p
为第三反步控制律，即电动静液弹性作动器的电机的控制转速；w
a
为第三反步控制律的模型补偿项，w
s1
为第三反步控制律的线性误差反馈项，w
s2
为第三反步控制律的非线性误差反馈项；x
5eq
为第二反步控制律，为第二反步控制律的微分项；k3第三反步控制率的线性反馈增益，z3为液压缸的活塞杆的实际运动加速度信号与第二反步控制律之间的偏差；k
3s2
第三反步控制率的非线性反馈增益；x
5eqa
为第二反步控制律的模型补偿项，x
5eqs1
为第二反步控制律的误差反馈项；x
4eq
为第一反步控制律；为第一反步控制律的微分项；k2为第二反步控制率的线性反馈增益，z2为液压缸的活塞杆的实际运动速度信号与第一反步控制律之间的偏差；x
c
为液压缸的活塞杆的位移的最终位置跟踪信号，为液压缸的活塞杆的位移的最终位置跟踪信号的微分；k1为第一反步控制率的线性反馈增益，z1为液压缸的活塞杆的实际运动位置信号与液压缸的活塞杆的位移的最终位置跟踪信号x
c
之间的偏差。5.根据权利要求4所述的一种电动静液弹性作动器的力跟踪控制方法，其特征在于：所述的反馈约束具体如下：z3(k
3s2-d1)≤ε3k
3s2
≤0.其中，ε3为预设参数。6.根据权利要求3所述的一种电动静液弹性作动器的力跟踪控制方法，其特征在于：所述的步骤二中，建立的电动静液弹性作动器与外界环境交互的环境参数估计器具体如下：互的环境参数估计器具体如下：互的环境参数估计器具体如下：
其中，为环境参数估计矩阵，为环境参数估计矩阵的微分；为环境弹性系数估计值，k
e
为环境弹性系数；为环境阻尼系数估计值，b
e
为环境阻尼系数；γ为正定的自适应参数矩阵；φ为电动静液弹性作动器的参数测量矩阵；f
e
为电动静液弹性作动器与外界环境的接触力；为电动静液弹性作动器与外界环境的接触力的估计误差，为电动静液弹性作动器与外界环境的接触力的估计值；x
e
为外界环境的位移。7.根据权利要求3所述的一种电动静液弹性作动器的力跟踪控制方法，其特征在于：所述的步骤三中，建立阻抗位置信号跟踪器包括阻抗模型、位置信号轨迹生成器和位置信号跟踪器，具体如下：a)阻抗模型：e＝f
r-f
s
其中，x
p
为液压缸的活塞杆的位移的第一位置跟踪信号；e为电动静液弹性作动器与外界环境的接触力误差；m
t
为阻抗模型的质量参数，b
t
为阻抗模型的阻尼参数，k
t
为阻抗模型的弹性参数，s为阻抗模型的频域中的变量；f
r
为电动静液弹性作动器与外界环境的预设接触力；b)位置信号轨迹生成器：b)位置信号轨迹生成器：其中，x
r
为液压缸的活塞杆的位移的第二位置跟踪信号；x
e
为外界环境的位移；k
es
为位置信号轨迹生成器的预设参数；为环境弹性系数估计值；c)位置信号跟踪器x
c
＝x
p
+x
r
其中，x
c
为液压缸的活塞杆的位移的最终位置跟踪信号。

技术总结

本发明公开了一种电动静液弹性作动器的力跟踪控制方法。方法包括：建立电动静液弹性作动器的动力学模型；建立鲁棒位置控制器，输入活塞杆的位移，输出电机的控制转速，控制电机获取电动静液弹性作动器与外界环境的接触力和负载质量块的位移；输入环境参数估计器，输出环境弹性系数估计值；将接触力和环境弹性系数估计值输入阻抗位置信号生成器，输出液压缸的活塞杆的位移的位置跟踪信号，对液压缸的活塞杆的位移进行位置跟踪。本发明方法在未知的外界环境下针对电动静液弹性作动器进行力跟踪控制，在稳态时力跟踪误差可收敛至零，在动态过程中相比于PID控制，具有更快的动态响应，可应用在力控制精度要求较高的液压驱动领域。域。域。