CN112925355A - 一种负载口独立液压系统的非线性流量建模与补偿方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种负载口独立液压系统的非线性流量建模与补偿方法。初始化实时信号采样周期和系统参数；根据负载口独立液压控制系统中的传感系统，采集负载口独立液压控制系统中液压油缸的两腔压力、液压泵出口的压力、负载的运行位移和速度等有效系统信号；建立比例控制阀的比例阀模型，进而建立负载口独立液压控制系统的辨识用液压系统模型；将有效系统信号输入辨识用液压系统模型中，辨识获得系统参数等；根据系统参数等处理获得补偿量进而补偿控制。本发明具有期望的阀流量补偿功能，能够提升系统控制精度。

Description

一种负载口独立液压系统的非线性流量建模与补偿方法
技术领域
本发明涉及了液压高精度控制领域的流量补偿方法，具体是涉及了一种负载口独立液压系统的非线性流量建模与补偿方法。
背景技术
电液系统由于具有高功率重量比，高负载能力和高耐用性等优点而在行业中受到广泛青睐。对于电液运动控制系统，控制精度和操作效率是两个主要特征。为了达到较高的控制精度，液压阀流量控制系统是常见的选择。但是，由于节流损失大，传统的四通阀控制的液压系统能效非常低。这个是由于进油口和出油口的机械耦合导致的。与传统的四通阀控制系统不同，进口和出口流量在负载口独立系统中是分离的。在这种系统中，腔室的单独压力调节成为可能。通过将系统压力调节到较低水平，节流损失将大大降低。这可以节省大量能量而不会降低运动控制精度。
作为一种典型的阀门控制系统，负载口独立液压系统的性能在很大程度上取决于系统中所使用控制阀的特性。在工业应用中，与伺服阀相比，比例阀更常用。但是，比例阀自带的流量非线性使得其难以应用在高精度阀控制系统中。阀流量非线性可能是由许多实际原因引起的，例如电磁阀中的磁饱和和磁滞效应，阀几何形状和阀芯缺陷，阀芯动力学特性。死区和非线性流量增益是阀门的两个重要非线性。死区是指除非输入电压大于一定值，否则无法控制通过阀的流量的现象。这通常来自比例阀的重叠配置。非线性流量是指阀门输入与流量之间的关系，不是简单的线性关系。当阀门输入从初始值增加时，阀门流量增益从零开始增加。当阀门输入接近最大值时，阀门流量增益将减小。这可能是由阀中线圈电磁力非线性，制造精度和内部泄漏等原因导致的。为了获得更好的控制性能，有必要对阀特性进行进一步建模。
发明内容
为了克服现有技术存在的不足，本发明提供一种负载口独立液压系统的控制阀流量非线性在线辨识和补偿方法，改善系统的动态响应性能，完成高精度运动控制。
本发明的采用如下技术方案：
(1)初始化实时信号采样周期T，初始化系统参数；
以上参数可以通过对系统的先验知识和系统离线辨识获得初始值和上下界。
(2)根据负载口独立液压控制系统中的传感系统，采集液压油缸的两腔压力、液压泵出口的压力、负载的运行位移和速度等有效系统信号；
(3)建立比例控制阀的比例阀模型；
(4)根据比例控制阀的比例阀模型建立负载口独立液压控制系统的辨识用液压系统模型；
(5)将前面步骤获得的有效系统信号输入辨识用液压系统模型中，对辨识用液压系统模型采用最小二乘算法，实时辨识获得系统参数以及无杆腔流量集总误差名义值参数ΔQ1n和有杆腔流量集总误差名义值ΔQ2n；
(6)最后根据系统参数以及无杆腔流量集总误差名义值ΔQ1n和有杆腔流量集总误差名义值ΔQ2n处理获得负载口独立液压系统中比例控制阀的补偿量进而进行补偿控制。
所述(3)中的比例阀模型用以下公式表示：
Figure BDA0002912367310000024
Ari＝[Ai1，Ai2，...，Aij，...，Ain]T
Uri＝[(uvi-Δuvdi)，(uvi-Δuvdi)2，...，(uvi-Δuvdi)n]T
其中，QviN表示第i个比例控制阀的名义流量，Ari表示第i个比例控制阀的拟合系数组成的向量，Uri表示施加在第i个比例控制阀上的实际输入电压的阶次递增的向量，uvi表示施加在第i个比例控制阀上的实际输入电压，Δuvdi表示第i个比例控制阀的死区阈值，ΔPvi表示第i个比例控制阀两侧的压降，kli表示第i个比例控制阀的泄漏系数；Aij表示第i个比例控制阀的j阶拟合系数；Rn表示，n表示阶次总数量，T表示矩阵装置。
所述的比例阀模型为非线性的。
所述(4)中，辨识用液压系统模型表示为：
Figure BDA0002912367310000021
Figure BDA0002912367310000022
Figure BDA0002912367310000023
式中，FL表示作用在活塞及负载上的作用力，Fn表施加在负载上的外干扰力，B表示负载移动的粘滞摩擦力系数，Af表示液压油缸的活塞和负载形成整体移动的库伦摩擦力系数，Sf表示符号函数；xL为负载的位移，
Figure BDA0002912367310000031
和
Figure BDA0002912367310000032
为负载的速度和加速度，V1和V2分别为液压油缸中无杆腔和有杆腔对应的有效容腔体积，
Figure BDA0002912367310000033
表示液压油缸中无杆腔压力对时间的导数，βe表示液压油的体积弹性模量；ΔQ1n和ΔQ2n分别表示无杆腔流量集总误差名义值和有杆腔流量集总误差名义值。
所述作用在活塞及负载上的作用力FL是根据液压油缸无杆腔和有杆腔两腔的压力p1、p2和液压油缸直径D、活塞杆直径d等参数，按照以下公式计算获得：
FL＝P1A1-P2A2
其中，P1为无杆腔的压力大小，P2为有杆腔的压力大小，A1为无杆腔的截面积，A2为有杆腔的截面积。
所述(5)和(6)中，采用递归最小二乘方式进行求解辨识用液压系统模型获得系统参数以及无杆腔流量集总误差名义值ΔQ1n和有杆腔流量集总误差名义值ΔQ2n，根据液压系统模型处理获得各个比例控制阀所需控制的名义流量QviN，通过(3)中的比例阀模型反向计算获得各个比例控制阀的实际输入电压uvi作为控制电压施加到各个比例控制阀上，从而实现对各个比例控制阀的非线性补偿。
所述的负载口独立液压控制系统包括主要由电机和液压泵组成的系统流量提供部分，主要由第一比例控制阀、第三比例控制阀、第二比例控制阀、第四比例控制阀组成的流量控制部分，以及主要由液压油缸和负载组成的执行器部分；液压泵和电机连接，流量控制部分的四个比例控制阀并联连接在液压泵出口、油箱和液压油缸之间，分别对流量进行控制，从而单独控制进出液压油缸两腔的流量。
液压泵的入口和油箱连通，液压泵的出口分别经第一控制阀、第二控制阀连通到液压油缸的无杆腔和有杆腔；第三比例控制阀、第四比例控制阀分别连接在液压油缸的无杆腔、有杆腔与油箱之间，液压油缸的无杆腔和有杆腔出口处分别连接有第一压力传感器P1、第二压力传感器P2。
所述的第一比例控制阀、第二比例控制阀、第三比例控制阀和第四比例控制阀均为二位比例控制阀。
所述的液压泵的出口安装有压力传感器PS，负载到连接在液压油缸的活塞，活塞和负载同步移动，负载旁设有位移传感器、速度传感器。
本发明给出了非线性阀流量模型以对通过阀的流量，阀两端压降和阀的控制输入电压之间的关系进行建模。考虑了阀死区，非线性流量增益以及由阀芯配置和非线性引起的泄漏。比例阀流量模型中的参数通过最小二乘估计在线调整。该设计具有期望的阀流量补偿功能，能够提升系统控制精度。
本发明的有益效果为：
本发明能够完成对执行器的高效高精度运动控制，通过负载口独立控制流量实现负载液压油缸两腔压力的独立控制，减少系统的流量消耗，同时降低系统压力以减少系统的能量消耗，提高系统的能效。采用比例二位比例控制阀，采用反馈控制方式，能够做到执行器的高精度运动误差补偿。
本发明所使用的液压油缸压力信号和负载位移与速度信号在现有的高精度液压运动控制系统中均有测量，该方法无需增加额外的传感器、信号采集系统等设备。考虑到本方法是一种迭代方法，具有计算量小、容易实现及对计算硬件要求低等特点，该方法可以在现有的上位机软件中实现，无需增加其他硬件计算设备。相较于传统的比例阀流量特性测量方法，不用将阀拆卸下来在专门的设备上测量，降低了实现成本，减少了操作的工作量。
本发明根据传感器信号实现在线的液压系统参数辨识算法，用于控制系统的前馈补偿当中。相较于传统的先在专门仪器测量阀的特性再安装的方法，这种技术实时性更强，更加有效地辅助施工人员进行调节参数，了解液压系统的运行状态。
本发明通过控制参数的实时更新，可以快速地应对液压系统参数变化带来的建模不确定性，不断更新系统参数模型以更精准地对液压系统进行描述，并在控制中对系统进行前馈补偿。
附图说明
图1是本发明的液压原理图。
图中：1、第一比例控制阀；2、第二比例控制阀；3、第三比例控制阀；4、第四比例控制阀；5、液压油缸；6、安全阀；7、液压泵；8、驱动电机；9、第一压力传感器；10、第二压力传感器；11、油箱。
图2为本发明的组成模块示意图。
图3是本发明所设计的比例阀模型对比例控制阀流量拟合效果图。
图4是本发明所设计的方法的液压系统运动控制效果图。
具体实施方式
下面结合附图及具体实施例对本发明作进一步详细说明。
如图1所示，负载口独立液压控制系统包括主要由电机8和液压泵7组成的系统流量提供部分，主要由第一比例控制阀1、第三比例控制阀3、第二比例控制阀2、第四比例控制阀4组成的流量控制部分，以及主要由液压油缸和负载组成的执行器部分；液压泵7和电机8连接，由电机控制液压泵运行，流量控制部分的四个比例控制阀并联连接在液压泵出口、油箱和液压油缸5之间，分别对流量进行控制，从而单独控制进出液压油缸两腔的流量。
流量供给部分的电机通过联轴器与液压泵连接，带动液压泵为液压系统提供流量。阀控流量控制部分包括四个比例控制阀，其中一组比例控制阀连接液压油缸无杆腔，另一组比例控制阀连接液压油缸有杆腔，两组阀分别对液压油缸进出有杆腔和无杆腔的流量进行控制。
液压泵7的入口和油箱11连通，液压泵的出口分别经第一控制阀1、第二控制阀2连通到液压油缸5的无杆腔和有杆腔；第三比例控制阀3、第四比例控制阀4分别连接在液压油缸5的无杆腔、有杆腔与油箱11之间，液压油缸5的无杆腔和有杆腔出口处分别连接有第一压力传感器9、第二压力传感器10。
液压泵7的出口安装有压力传感器PS，负载到连接在液压油缸5的活塞，活塞和负载同步移动，负载旁设有用于检测负载位移和速度的位移传感器、速度传感器。
第一比例控制阀、第二比例控制阀、第三比例控制阀和第四比例控制阀均为二位比例控制阀。
液压泵7的出口分别和第一控制阀1、第二控制阀2之间有必要的过滤器、单向阀、开关阀等辅助性元件。具体有，液压泵7的出口和油箱11之间通过安全阀6连通。系统设置了液压安全阀、过滤器、温度计、单向阀等其他液压元件保证系统的正常工作。
本发明由电机和泵提供液压流量和压力，由阀控流量控制部分通过辨识用液压系统模型和反馈调节计算液压油缸两腔所需流量并进行运动误差补偿，完成液压系统所要求的高精度运动控制。通过阀很快的动态响应控制，这样可以实现高性能的运动控制。同时负载口独立系统可以同时调节液压油缸两腔的压力，降低系统压力水平，从而减少所需要的能耗。
如图2所示，本发明的具体实施工作过程如下：
(1)初始化实时信号采样周期T，初始化系统参数，包括系统参数的初始值，上下界，递归最小二乘中有关参数更新速度的Γ矩阵，参数估计遗忘速率相关的遗忘因子α，正则化系数v，还有信号通过的滤波器的带宽等；
系统参数包括负载质量mL、库仑摩擦力系数Af、粘滞摩擦力系数B、液压介质的体积弹性模量βe、比例控制阀的j阶拟合系数Aij和比例控制阀的泄漏系数kli。
(2)根据负载口独立液压控制系统中的传感系统，采集液压油缸的两腔压力、液压泵7出口的压力、负载的运行位移和速度等有效系统信号，并记录施加在比例控制阀上的控制输入电压大小；
(3)建立比例控制阀的比例阀模型；
比例阀模型用以下公式表示：
Figure BDA0002912367310000061
Ari＝[Ai1，Ai2，...，Aij，...，Ain]T
Uri＝[(uvi-Δuvdi)，(uvi-Δuvdi)2，...，(uvi-Δuvdi)n]T
其中，QviN表示第i个比例控制阀的名义流量，Ari表示第i个比例控制阀的拟合系数组成的向量，Uri表示施加在第i个比例控制阀上的实际输入电压的阶次递增的向量，uvi表示施加在第i个比例控制阀上的实际输入电压，Δuvdi表示第i个比例控制阀的死区阈值，ΔPvi表示第i个比例控制阀两侧的压降，kli表示第i个比例控制阀的泄漏系数；Aij表示第i个比例控制阀的j阶拟合系数；Rn表示，n表示阶次总数量，T表示矩阵装置。
(4)根据比例控制阀的比例阀模型建立负载口独立液压控制系统的辨识用液压系统模型；
辨识用液压系统模型表示为：
Figure BDA0002912367310000062
Figure BDA0002912367310000063
Figure BDA0002912367310000064
式中，FL表示作用在活塞及负载上的作用力，Fn表施加在负载上的外干扰力，B表示负载移动的粘滞摩擦力系数，Af表示液压油缸的活塞和负载形成整体移动的库伦摩擦力系数，Sf表示符号函数；xL为负载的位移，
Figure BDA0002912367310000065
和
Figure BDA0002912367310000066
为负载的速度和加速度，V1和V2分别为液压油缸中无杆腔和有杆腔对应的有效容腔体积，
Figure BDA0002912367310000067
表示液压油缸中无杆腔压力对时间的导数，βe表示液压油的体积弹性模量；ΔQ1n和ΔQ2n分别表示无杆腔流量集总误差名义值和有杆腔流量集总误差名义值。
作用在活塞及负载上的作用力FL是根据液压油缸无杆腔和有杆腔两腔的压力P1、P2和液压油缸直径D、活塞杆直径d等参数，按照以下公式计算获得：
FL＝P1A1-P2A2
其中，P1为无杆腔的压力大小，P2为有杆腔的压力大小，A1为无杆腔的截面积，A2为有杆腔的截面积。
(5)将前面步骤获得的有效系统信号输入辨识用液压系统模型中，对辨识用液压系统模型采用递归最小二乘算法，实时辨识获得系统参数以及无杆腔流量集总误差名义值ΔQ1n和有杆腔流量集总误差名义值ΔQ2n；最后根据系统参数以及无杆腔流量集总误差名义值ΔQ1n和有杆腔流量集总误差名义值ΔQ2n处理获得负载口独立液压系统中比例控制阀的补偿量进而进行补偿控制。
具体采用递归最小二乘方式进行求解辨识用液压系统模型获得系统参数以及无杆腔流量集总误差名义值ΔQ1n和有杆腔流量集总误差名义值ΔQ2n，将更新的系统参数数值应用在液压系统的控制器中，针对系统设计的非线性液压控制器根据液压系统模型计算处理获得各个比例控制阀所需控制的名义流量QviN，通过(3)中的比例阀模型反向计算获得各个比例控制阀的实际输入电压uvi作为控制电压，从而实现对各个比例控制阀的非线性补偿，实现更高精度的运动控制。
为了描述所设计的比例阀模型对比例控制阀非线性流量的建模效果，对一比例控制阀的流量特性进行了测量，并用所提出的比例阀模型对其进行拟合，结果如图3所示。由图中可见，所提出的模型很好地描述了比例控制阀的死区特性以及非线性增益特性。
同时为了描述所提出的非线性流量建模与补偿方法对液压系统控制精度提升的效果，在液压实验台上进行了对比实验。在实验中，带有非线性流量补偿的控制器与没有流量补偿的控制器进行对比。负载跟踪的参考轨迹最大速度0.25m/s，最大加速度0.5m/s2。对比结果如图4所示。由图中可以看出，带有非线性流量补偿的控制器可以更精确平滑地跟踪参考轨迹。尤其是在负载启停时刻，带有非线性流量补偿的控制器具有更好的瞬态响应性能，最大瞬态跟踪误差由1.3mm下降到了0.8mm。

Claims (9)

1.一种负载口独立液压系统的非线性流量建模与补偿方法，其特征在于：方法包括以下步骤：
(1)初始化实时信号采样周期T，初始化系统参数；
(2)根据负载口独立液压控制系统中的传感系统，采集液压油缸的两腔压力、液压泵(7)出口的压力、负载的运行位移和速度等有效系统信号；
(3)建立比例控制阀的比例阀模型；
(4)根据比例控制阀的比例阀模型建立负载口独立液压控制系统的辨识用液压系统模型；
(5)将前面步骤获得的有效系统信号输入辨识用液压系统模型中，对辨识用液压系统模型采用最小二乘算法，实时辨识获得系统参数以及无杆腔流量集总误差名义值参数ΔQ1n和有杆腔流量集总误差名义值ΔQ2n；
(6)最后根据系统参数以及无杆腔流量集总误差名义值ΔQ1n和有杆腔流量集总误差名义值ΔQ2n处理获得负载口独立液压系统中比例控制阀的补偿量进而进行补偿控制。
2.根据权利要求1所述的一种负载口独立液压系统的非线性流量建模与补偿方法，其特征在于：
所述(3)中的比例阀模型用以下公式表示：
Figure FDA0002912367300000011
Ari＝[Ai1,Ai2，...,Aij,...，Ain]T
Uri＝[(uvi-Δuvdi)，(uvi-Δuvdi)2，...，(uvi-Δuvdi)n]T
其中，QviN表示第i个比例控制阀的名义流量，Ari表示第i个比例控制阀的拟合系数组成的向量，Uri表示施加在第i个比例控制阀上的实际输入电压的阶次递增的向量，uvi表示施加在第i个比例控制阀上的实际输入电压，Δuvdi表示第i个比例控制阀的死区阈值，ΔPvi表示第i个比例控制阀两侧的压降，kli表示第i个比例控制阀的泄漏系数；Aij表示第i个比例控制阀的j阶拟合系数；Rn表示，n表示阶次总数量，T表示矩阵装置。
3.根据权利要求1所述的一种负载口独立液压系统的非线性流量建模与补偿方法，其特征在于：
所述(4)中，辨识用液压系统模型表示为：
Figure FDA0002912367300000021
Figure FDA0002912367300000022
式中，FL表示作用在活塞及负载上的作用力，Fn表施加在负载上的外干扰力，B表示负载移动的粘滞摩擦力系数，Af表示液压油缸的活塞和负载形成整体移动的库伦摩擦力系数，Sf表示符号函数；xL为负载的位移，
Figure FDA0002912367300000023
和
Figure FDA0002912367300000024
为负载的速度和加速度，V1和V2分别为液压油缸中无杆腔和有杆腔对应的有效容腔体积，
Figure FDA0002912367300000025
表示液压油缸中无杆腔压力对时间的导数，βe表示液压油的体积弹性模量；ΔQ1n和ΔQ2n分别表示无杆腔流量集总误差名义值和有杆腔流量集总误差名义值。
4.根据权利要求3所述的一种负载口独立液压系统的非线性流量建模与补偿方法，其特征在于：
所述作用在活塞及负载上的作用力FL是根据液压油缸无杆腔和有杆腔两腔的压力P1、P2和液压油缸直径D、活塞杆直径d等参数，按照以下公式计算获得：
FL＝P1A1-P2A2
其中，P1为无杆腔的压力大小，P2为有杆腔的压力大小，A1为无杆腔的截面积，A2为有杆腔的截面积。
5.根据权利要求1所述的一种负载口独立液压系统的非线性流量建模与补偿方法，其特征在于：
所述(5)和(6)中，采用递归最小二乘方式进行求解辨识用液压系统模型获得系统参数以及无杆腔流量集总误差名义值ΔQ1n和有杆腔流量集总误差名义值ΔQ2n，根据液压系统模型处理获得各个比例控制阀所需控制的名义流量QviN，通过(3)中的比例阀模型反向计算获得各个比例控制阀的实际输入电压uvi作为控制电压施加到各个比例控制阀上，从而实现对各个比例控制阀的非线性补偿。
6.根据权利要求1所述的一种负载口独立液压系统的非线性流量建模与补偿方法，其特征在于：
所述的负载口独立液压控制系统包括主要由电机(8)和液压泵(7)组成的系统流量提供部分，主要由第一比例控制阀(1)、第三比例控制阀(3)、第二比例控制阀(2)、第四比例控制阀(4)组成的流量控制部分，以及主要由液压油缸和负载组成的执行器部分；液压泵(7)和电机(8)连接，流量控制部分的四个比例控制阀并联连接在液压泵出口、油箱和液压油缸(5)之间，分别对流量进行控制，从而单独控制进出液压油缸两腔的流量。
7.根据权利要求6所述的一种负载口独立液压系统的非线性流量建模与补偿方法，其特征在于：液压泵(7)的入口和油箱(11)连通，液压泵的出口分别经第一控制阀(1)、第二控制阀(2)连通到液压油缸(5)的无杆腔和有杆腔；第三比例控制阀(3)、第四比例控制阀(4)分别连接在液压油缸(5)的无杆腔、有杆腔与油箱(11)之间，液压油缸(5)的无杆腔和有杆腔出口处分别连接有第一压力传感器P1(9)、第二压力传感器P2(10)。
8.根据权利要求6所述的一种负载口独立液压系统的非线性流量建模与补偿方法，其特征在于：所述的第一比例控制阀、第二比例控制阀、第三比例控制阀和第四比例控制阀均为二位比例控制阀。
9.根据权利要求6所述的一种负载口独立液压系统的非线性流量建模与补偿方法，其特征在于：所述的液压泵(7)的出口安装有压力传感器PS，负载到连接在液压油缸(5)的活塞，活塞和负载同步移动，负载旁设有位移传感器、速度传感器。
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