CN108412842A - 液压缸摩擦补偿控制方法研究 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种液压缸摩擦补偿装置及控制方法，属于液压控制系统领域,其组成包括：电机、泵、过滤器、电液伺服阀、放大器、控制器、位置指令器、位移传感器、液压缸、负载、溢流阀等组成。电机控制泵经过滤器向电液伺服阀供油，过滤器的一端经溢流阀回油箱，另一端经电液伺服阀的进油口向液压缸供油，推动液压缸活塞杆的移动。位置指令器接到指令后，经控制器、放大器向电液伺服阀输入信号电流，以此来达到负载的目的，活塞杆的位移经位移传感器的转换成电流与输入信号比较，构成一个液压反馈系统。此控制过程能够提高系统的跟踪精度，具有很高的系统响动静态应性能。

Description

液压缸摩擦补偿控制方法研究

所属技术领域

本发明涉及一种液压缸摩擦补偿装置，属于压控制系统领域。

背景技术

电液伺服系统以其伺服性能好，控制精度高，快速性好应用于航天、火炮、飞机操纵系统等装置中，现已成为自动化生产线上一个重要方面。很多研究人员对于液压控制精度方面有很多研究，主要集中与外部系统的硬件控制方面，对控制器的研究很少，硬件摩擦力补偿具有尤其无法避免的缺陷，比如液压油的流量控制、损耗，漏油等。在控制器软控中，虽然也存在一定的缺陷，但是其控制性能良好，相比硬件控制具有强大的动静态响应性能，现已成为很多自动化成产线上的主要方法，本次发明就是在软控制器上找突破点，在液压缸摩擦力补偿方面设计出优良的控制器，以此提高其跟踪性能，达到令人满意的控制效果。

发明内容

本发明提出一种液压缸摩擦补偿装置，通过设计优良的控制器，补偿摩擦力。

本发明的基本技术方案为：

本发明涉及一种液压缸摩擦补偿装置及控制方法，属于液压控制系统领域,其组成包括：电机、泵、过滤器、电液伺服阀、放大器、控制器、位置指令器、位移传感器、液压缸、负载、溢流阀等组成。电机控制泵经过滤器向电液伺服阀供油，过滤器的一端经溢流阀回油箱，另一端经电液伺服阀的进油口向液压缸供油，推动液压缸活塞杆的移动。位置指令器接到指令后，经控制器、放大器向电液伺服阀输入信号电流，以此来达到负载的目的，活塞杆的位移经位移传感器的转换成电流与输入信号比较，构成一个液压反馈系统。

提高此系统的跟踪精度主要看控制器如何设计，抵消液压缸摩擦力带来的额外影响，考虑液压缸活塞密封圈与液压缸内壁之间的摩擦，活塞杆与密封圈以及活塞杆与防尘圈之间的摩擦对系统的影响，如果降低这两个部位的摩擦力，将会提高液压缸的动态性能。由于2个位置同时存在摩擦力，放在一起研究，以期望得到更好的控制结果，使控制结果更加准确，减小系统误差。因此考虑用一个摩擦模型来近似代替复杂的摩擦力。本文中考虑用LuGre摩擦理论建立精确的数学模型。

本发明的有益效果是：

1.本发明液压缸摩擦补偿装置的控制器能够提高系统的跟踪精度，保证其稳定运行，没有系统的滞后现象产生，有效的跟随系统的输入。

2.本发明所设计的控制器是针对液压缸的摩擦问题展开的研究，采取补偿的方法，能够有效抵制摩擦力的影响，实现系统的有效合理运行。

附图说明

附图1，本发明的结构示意图；

附图2，本发明的自适应控制器示意图；

附图3，本发明的反步自适应控制律示意图；

附图4，本发明的控制器效果对比示意图。

图中：1、泵，2、电机，3、过滤器，4溢流阀、5、油箱，6、电液伺服阀，7、放大器，8、控制器，9、位置指令器，10、位移传感器，11、液压缸，12、负载，13、弹簧，14、阻尼器。

具体实施方式

以下结合附图进一步说明本发明的具体结构及实施方式。

结合图1至4，本发明涉及一种液压缸摩擦补偿装置及控制方法，属于液压控制系统领域,其组成包括：电机、泵、过滤器、电液伺服阀、放大器、控制器、位置指令器、位移传感器、液压缸、负载、溢流阀等组成。电机控制泵经过滤器向电液伺服阀供油，过滤器的一端经溢流阀回油箱，另一端经电液伺服阀的进油口向液压缸供油，推动液压缸活塞杆的移动。位置指令器接到指令后，经控制器、放大器向电液伺服阀输入信号电流，以此来达到负载的目的，活塞杆的位移经位移传感器的转换成电流与输入信号比较，构成一个液压反馈系统。

具体实施方式如下：

改进的摩擦模型：传统的LuGre模型的鬃毛观测器设计如下形式：

工程上需要将式(1)进行离散化，设采样时间为h，则有：

按照欧拉方法将式(1)离散化可得：

解式(2)可得：

可知时有：

由式(3)可知，当速度大于某一临界值时，观测器输出可能会不稳定，因此本文采用如下的方法来改进传统LuGre模型的缺点。

动态摩擦主要在低速阶段对系统的影响，而当系统处于高速运行时，很多的静摩擦模型就可以表达系统的摩擦。当速度大于某一特定值时，鬃毛的形变量可采用稳态值表示，这时系统的摩擦力可用静摩擦模型表示：

F_f＝F_csgn(v)+F_vv (4)

但是如果模型被简化成如式(4)，若系统由低速向高速切换时，可能会造成系统内部状态的不连续。对此，本文采用修正LuGre模型，该模型在低速时等效于LuGre模型，在高速时等效于静摩擦模型，并且从低速向高速转变时系统状态是连续的。修正的LuGre模型如下：

F＝σ₀s(|v|)z+σ₁z+F_csgn(v)[1-s(|v|)]+α₂v

在式(5)中：

式中v₁，v₂为临界速度，且0＜v₁＜v₂。

由改进的模型可知，当速度大于某一临界值时，LuGre摩擦模型鬃毛位移z不改变，从而解决了传统LuGre摩擦模型在离散化过程中的不稳定问题。

若系统低速运行，即|v|＜v₁时，s(|v|)＝1，此时摩擦模型等效成传统的LuGre模型，摩擦力表达式为：

当系统处于高速运行，即|v|＞v₂时，s(|v|)＝0，此时摩擦模型表达式为：

F＝F_csgn(v)+α₂v (8)

通过以上分析将LuGre摩擦模型成功的分为低速与高速运动，故动态摩擦部分只能在系统低速运行时产生影响，高速运行时不受影响，成功的避免了观测器在离散化时因实际速率与采样速率接近，造成系统不稳定。

由于温度变化时，还会导致摩擦参数受到影响，因此引入ζ来反映参数受到温度变化的影响。此时摩擦力为：

当忽略液压油的粘性，弹性力时，从而电液伺服系统的模型可以表示为：

式中

控制器及观测器的设计

设计鬃毛观测器方程为：

式中L为观测器的误差补偿项。

定义位置输出误差和速度误差为：

e₁＝S_ref-S

e₂＝v_ref-v

设参考速度信号：

式中

由式(10)和(11)可得：

为减小摩擦对系统的影响，设计如下的控制律和参数自适应律：

L＝e₂φ (12)

式中k＞0，k₁＞0，k₂＞0。

设计基于LUGRE摩擦模型的自适应反步控制器如图2所示，本文设计的反步自适应控制律框图如图3所示，控制效果对比图采用正弦信号y(t)＝20sin(πt)。设置自适应反步的相关参数。系统的理论位移，无补偿的位移，以及利用自适应反步补偿后的位移曲线如图4所示。

以上显示和描述了本发明的基本原理和主要特征。本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书描述的只是发明的原理，在不脱离本发明的精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些发明和改进都属于要求保护的本发明范围内。

Claims (2)

1.本发明涉及一种液压缸摩擦补偿装置及控制方法，属于液压控制系统领域,其组成包括：电机、泵、过滤器、电液伺服阀、放大器、控制器、位置指令器、位移传感器、液压缸、负载、溢流阀等组成;电机控制泵经过滤器向电液伺服阀供油，过滤器的一端经溢流阀回油箱，另一端经电液伺服阀的进油口向液压缸供油，推动液压缸活塞杆的移动;位置指令器接到指令后，经控制器、放大器向电液伺服阀输入信号电流，以此来达到负载的目的，活塞杆的位移经位移传感器的转换成电流与输入信号比较，构成一个液压反馈系统。

2.根据权利要求书1所述的控制器，其特征在于，采用基于改进LUGRE摩擦模型自适应反步控制器，抵消液压缸摩擦力对系统影响，提高其控制精度。