CN112555202A - 一种基于参数自适应的液压系统控制方法 - Google Patents

一种基于参数自适应的液压系统控制方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于参数自适应的液压系统控制方法，涉及液压系统控制技术领域，包括以下步骤：预先获取实际关节位置，并标定期望关节位置θ；基于位置误差值e和位置误差变化ec的参数模糊自整定PID控制，其中包括标定误差值e和标定位置误差变化ec为输入，获取kp、ki和kd为输出参数；基于伺服放大器和电液伺服阀进行控制。本发明具有模糊控制的鲁棒性和PID控制削弱稳态误差的性能，用模糊控制规则实现对PID参数的自动调节，其在大偏差范围内采用模糊控制，而在小偏差范围内转换成PID控制，两者的转换根据给定的偏差阈值自动实现，不仅复合控制具有更小的超调，而且在关节位置控制方面明显具有更高的控制精度。

Description

一种基于参数自适应的液压系统控制方法
技术领域
本发明涉及液压系统控制技术领域，具体来说，涉及一种基于参数自适应的液压系统控制方法。
背景技术
工业机器人的主要驱动方式包括电机驱动、气压驱动、液压驱动。气压驱动承载能力大、成本较低，气体的弹性模量较大，工作时容易刚度降低，有控制精度低的缺陷。其中，电机驱动控制简单、控制精度高，但也存在着功率密度低、抗电磁干扰差等缺点。电液伺服系统控制性能良好，具有高响应、高精度、大功率、系统刚度大以及抗干扰能力强等优点，在航空航天、矿山、冶金、民用、船舶水利等领域均有较好的应用。液压伺服系统可以组成结构紧凑、体积小、重量轻、加速性能好的伺服系统，由电信号处理装置和若干液压元件组成，各元件的动态性能互相影响，致使其动态性能复杂。国内外学者针对液压机器人的位置控制方面已经进行了多方面的研究，液压伺服系统的主要控制元件为电液伺服阀，电液伺服阀本身存在死区、零漂、非对称零位、滞环等特性，造成了液压伺服系统的高度非线性。
检索中国发明专利CN103562568B公开了一种用于工程机械的液压系统。该液压系统包括：液压致动器和用于将流体供给到液压致动器的第一液压机械。液压系统还包括：液压变换器，该液压变换器用于与第一液压机械并行地将流体供给到液压致动器；以及用于流体的蓄能器。液压变换器包括第一端口和第二端口，且变换器适于将第一端口处的第一压力和第一流量变换为第二端口处的第二压力和第二流量。液压变换器的第二端口与液压致动器流体连通，且第一端口与蓄能器连通。但其仍存在电液伺服阀本身存在死区、零漂、非对称零位、滞环等特性，造成了液压伺服系统的高度非线性。
针对相关技术中的问题，目前尚未提出有效的解决方案。
发明内容
针对相关技术中的问题，本发明提出一种基于参数自适应的液压系统控制方法，实现对电液伺服阀存在的死区和零漂问题进行补偿，将模糊控制和传统PID算法相结合，使控制器具有模糊控制的鲁棒性和PID控制削弱稳态误差的性能，用模糊控制规则实现对PID参数的自动调节，其在大偏差范围内采用模糊控制，而在小偏差范围内转换成PID控制，两者的转换根据给定的偏差阈值自动实现，不仅复合控制具有更小的超调，而且在关节位置控制方面明显具有更高的控制精度，以克服现有相关技术所存在的上述技术问题。
本发明的技术方案是这样实现的：
一种基于参数自适应的液压系统控制方法，包括以下步骤：
步骤S1，预先获取实际关节位置，并标定期望关节位置θ；
步骤S2，基于位置误差值e和位置误差变化ec的参数模糊自整定PID控制，其中包括标定误差值e和标定位置误差变化ec为输入，获取kp、ki和kd为输出参数；
步骤S3，基于伺服放大器和电液伺服阀进行控制。
进一步的，步骤所述预先获取实际关节位置，包括由角度编码器实时测得各关节的角度。
进一步的，还包括关节角的运动范围，表示为：
Figure BDA0002803065260000021
进一步的，所述关节角的运动范围为0°～40°。
进一步的，步骤所述PID控制，包括：采用增量式PID算法，输出为伺服放大器的输入电压Uv，表示为：
Uv＝Uv(i_1)+kp[e(i)_e(i_1)]+kie(i)+kd[e(i)_2e(i_1)+e(i_2)]；
其中，i为控制次数，kp、ki和kd为PID控制控制参数。
进一步的，所述电液伺服阀，还包括：获取电液伺服阀的流量，表示为：
Q＝KvIv-KcpL；
其中，Q为两液压缸的负载流量，Kv为两伺服阀的流量增益，Iv为伺服放大器输出电流，Kc为伺服阀的流量压力系数，pL为液压缸的负载压力。
进一步的，还包括控制关节跟踪正弦轨迹，表示为：θ＝5sin(0.2πt)+15。
本发明的有益效果：
本发明基于参数自适应的液压系统控制方法，通过预先获取实际关节位置，并标定期望关节位置θ，基于位置误差值e和位置误差变化ec的参数模糊自整定PID控制，并基于伺服放大器和电液伺服阀进行控制，实现对电液伺服阀存在的死区和零漂问题进行补偿，将模糊控制和传统PID算法相结合，使控制器具有模糊控制的鲁棒性和PID控制削弱稳态误差的性能，用模糊控制规则实现对PID参数的自动调节，其在大偏差范围内采用模糊控制，而在小偏差范围内转换成PID控制，两者的转换根据给定的偏差阈值自动实现，不仅复合控制具有更小的超调，而且在关节位置控制方面明显具有更高的控制精度。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是根据本发明实施例的一种基于参数自适应的液压系统控制方法的流程示意图一；
图2是根据本发明实施例的一种基于参数自适应的液压系统控制方法的流程示意图二；
图3是根据本发明实施例的一种基于参数自适应的液压系统控制方法的轨迹跟踪曲线示意图一；
图4是根据本发明实施例的一种基于参数自适应的液压系统控制方法的轨迹跟踪曲线示意图二。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
根据本发明的实施例，提供了一种基于参数自适应的液压系统控制方法。
如图1-图2所示，根据本发明实施例的基于参数自适应的液压系统控制方法，包括以下步骤：
预先获取实际关节位置，并标定期望关节位置θ；
基于位置误差值e和位置误差变化ec的参数模糊自整定PID控制，其中包括标定误差值e和标定位置误差变化ec为输入，获取kp、ki和kd为输出参数；
基于伺服放大器和电液伺服阀进行控制。
其中，步骤所述预先获取实际关节位置，包括由角度编码器实时测得各关节的角度。
其中，还包括关节角的运动范围，表示为：
Figure BDA0002803065260000041
其中，所述关节角的运动范围为0°～40°。
其中，步骤所述PID控制，包括：采用增量式PID算法，输出为伺服放大器的输入电压Uv，表示为：
Uv＝Uv(i_1)+kp[e(i)_e(i_1)]+kie(i)+kd[e(i)_2e(i_1)+e(i_2)]；
其中，i为控制次数，kp、ki和kd为PID控制控制参数。
其中，所述电液伺服阀，还包括：获取电液伺服阀的流量，表示为：
Q＝KvIv-KcpL；
其中，Q为两液压缸的负载流量，Kv为两伺服阀的流量增益，Iv为伺服放大器输出电流，Kc为伺服阀的流量压力系数，pL为液压缸的负载压力。
借助于上述技术方案，通过预先获取实际关节位置，并标定期望关节位置θ，基于位置误差值e和位置误差变化ec的参数模糊自整定PID控制，并基于伺服放大器和电液伺服阀进行控制，实现对电液伺服阀存在的死区和零漂问题进行补偿，将模糊控制和传统PID算法相结合，使控制器具有模糊控制的鲁棒性和PID控制削弱稳态误差的性能，用模糊控制规则实现对PID参数的自动调节，其在大偏差范围内采用模糊控制，而在小偏差范围内转换成PID控制，两者的转换根据给定的偏差阈值自动实现，不仅复合控制具有更小的超调，而且在关节位置控制方面明显具有更高的控制精度。
另外，具体的，其液压缸受液压油的压力驱动，液压油从电液伺服阀的出口流入液压缸，在驱动过程中，液压缸作为执行元件推动负载快速运动，液压缸的流量连续性表示为：
Figure BDA0002803065260000051
其中Q1、Q2分别为液压缸进出油流量，A1、A2分别为液压缸有杆腔和无杆腔的面积，Cip、Cep分别为液压缸的内外泄露系数，p1、p2分别为液压缸有杆腔和无杆腔内的压力，V1、V2分别为有杆腔和无杆腔的总体积，βe为液压油的有效体积弹性模数。
另外，具体的，如图3-图4所示，在一个实施例中，分别采用模糊PID算法和传统PID算法对该单关节实验平台进行位置控制。实验中传统PID参数的获取为通过不断实验之后确定的较优的控制参数，为比较模糊PID算法与传统PID算法的控制精度，限定模糊PID算法的控制参数以传统PID算法为中心，等距离范围内波动。考虑到伺服阀的动态响应频率，实验过程中采样频率和控制频率均为100Hz，已知环境约束，要避免出现位置干涉，控制关节跟踪正弦轨迹(单位°)：θ＝5sin(0.2πt)+15。
其为量化这两种控制方法的位置控制精度以及分析关节动态响应，定义平均跟踪误差为：
Figure BDA0002803065260000052
其中，N为数据总数。在轨迹跟踪实验中，最大位置误差由5.2731°减小到了2.9234°，位置平均跟踪误差由2.8135°减小到了1.4542°。由实验数据可以得出，在关节跟踪效果上，模糊PID算法的位置跟踪效果明显优于传统PID算法，在跟踪轨迹时，模糊PID控制器的跟踪快速性与准确性都要远高于传统PID控制器。
综上所述，借助于本发明的上述技术方案，通过预先获取实际关节位置，并标定期望关节位置θ，基于位置误差值e和位置误差变化ec的参数模糊自整定PID控制，并基于伺服放大器和电液伺服阀进行控制，实现对电液伺服阀存在的死区和零漂问题进行补偿，将模糊控制和传统PID算法相结合，使控制器具有模糊控制的鲁棒性和PID控制削弱稳态误差的性能，用模糊控制规则实现对PID参数的自动调节，其在大偏差范围内采用模糊控制，而在小偏差范围内转换成PID控制，两者的转换根据给定的偏差阈值自动实现，不仅复合控制具有更小的超调，而且在关节位置控制方面明显具有更高的控制精度。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种基于参数自适应的液压系统控制方法，其特征在于，包括以下步骤：
预先获取实际关节位置，并标定期望关节位置θ；
基于位置误差值e和位置误差变化ec的参数模糊自整定PID控制，其中包括标定误差值e和标定位置误差变化ec为输入，获取kp、ki和kd为输出参数；
基于伺服放大器和电液伺服阀进行控制。
2.根据权利要求1所述的基于参数自适应的液压系统控制方法，其特征在于，步骤所述预先获取实际关节位置，包括由角度编码器实时测得各关节的角度。
3.根据权利要求2所述的基于参数自适应的液压系统控制方法，其特征在于，还包括关节角的运动范围，表示为：
Figure FDA0002803065250000011
4.根据权利要求3所述的基于参数自适应的液压系统控制方法，其特征在于，所述关节角的运动范围为0°～40°。
5.根据权利要求1所述的基于参数自适应的液压系统控制方法，其特征在于，步骤所述PID控制，包括：采用增量式PID算法，输出为伺服放大器的输入电压Uv，表示为：
Uv＝Uv(i-1)+kp[e(i)-e(i-1)]+kie(i)+kd[e(i)-2e(i-1)+e(i-2)]；
其中，i为控制次数，kp、ki和kd为PID控制控制参数。
6.根据权利要求1所述的基于参数自适应的液压系统控制方法，其特征在于，所述电液伺服阀，还包括：获取电液伺服阀的流量，表示为：
Q＝KvIv-KcpL；
其中，Q为两液压缸的负载流量，Kv为两伺服阀的流量增益，Iv为伺服放大器输出电流，Kc为伺服阀的流量压力系数，pL为液压缸的负载压力。
7.根据权利要求1所述的基于参数自适应的液压系统控制方法，其特征在于，还包括控制关节跟踪正弦轨迹，表示为：θ＝5sin(0.2πt)+15。
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