[发明专利]一种基于转动和滑动分离的液压机械臂的建模和控制方法

说明书

一种基于转动和滑动分离的液压机械臂的建模和控制方法，它包括以下步骤：建模时把液压机械臂液压缸内部的滑动和关节铰接处的转动分开建模，基于数学模型中的已知参数，列出关于q(广义角度)的状态空间方程，并且将数学模型的参数线性化，基于模型参数线性化和数学模型设计误差动力学(自适应鲁棒控制器的设计)，自适应鲁棒控制器的设计更新。将本发明的方法与传统PID控制以及前馈PID控制进行对比，本发明能明显提高系统的响应速度以及控制精度。本发明解决了液压控制系统高度非线性的问题，同时该方法在应用于液压机械臂方面相比且他的控制方式鲁棒性更强，而且对于系统的动态响应更快，系统的动态跟踪效果明显增强，对于系统的跟踪误差更小，控制精度更高。

技术领域

本发明涉及液压系统控制技术领域，具体来说，涉及一种基于转动和滑动分离的液压机械臂的建模和控制方法。

背景技术

随着工业机器人的快速发展，电液伺服系统输出力矩大，功率重量比高等核心优势在机械工程、航空航天、装备制造等重要领域得到广泛应用。随着技术标准的提高就要求更好的控制系统来提高液压的控制精度，传统的PID控制有很好的优点，其一是PID控制只有三个参数K_p，K_i，K_d，调节起来就会非常方便。其二是PID控制不用基于模型，对于任意一个闭环控制都可以进行有效的控制。但是PID控制的缺点也很明显，控制精度不高，控制的稳定性不够好，在不同的情况下参数的设定也有所不同。ARC控制理论(自适应鲁棒控制理论)是一种兼具理论性和实用性的非线性控制理论，在电液伺服控制系统中有诸多成功应用。自适应鲁棒控制的控制方法的控制精度高，动态响应快，因为可以更新参数，所以可以适应各种工况。但是此种方法也有自己的缺点，需要调整的参数过多，在控制被控对象前要对建立精确的模型，在已知信息少的情况下很难控制的很精确。

相关专利文献：CN112555202A公开了一种基于参数自适应的液压控制系统方法。该液压系统控制方法包括：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飘零问题进行补偿，将模糊控制与传统PID相结合是的控制器具有鲁棒性和PID控制来减小误差的存在。此方法在误差很大时用模糊鲁棒控制来减小误差，而在误差小时则使用PID控制来减小控制误差。这种方法是基于误差来消除误差，并没有对具体对物理模型进行精确建模，但是液压伺服系统具有高度非线性，上述方法在机器人控制中很难实现更高的控制精度。

发明内容

本发明的目的在于提供一种基于转动和滑动分离的液压机械臂的建模和控制方法，以解决液压控制系统高度非线性的问题，同时该方法在应用于液压机械臂方面相比且他的控制方式鲁棒性更强，而且对于系统的动态响应更快，系统的动态跟踪效果明显增强，对于系统的跟踪误差更小，控制精度更高。

为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案如下：

一种基于转动和滑动分离的液压机械臂的建模和控制方法，其特征在于它包括以下步骤：

步骤S1，建模时把液压机械臂液压缸内部的滑动和关节铰接处的转动分开建模，基于分别建模的方式，将液压机械臂液压缸内部的滑动和关节铰接处的转动建立液压机械臂的数学模型，此时的数学模型表示为：

其中，J为转动惯量，质量与回转半径的平方的乘积并且为定值，为偏导数；表示液压缸内部的滑动摩擦，表示机械臂铰接处关节内部的摩擦，D₁表示建模误差，D_f为粘滞摩擦系数，f为库仑摩擦系数，s(·)为连续平滑函数的切换函数，F_L为液压缸负载产生的力；表示广义角度q对时间求二阶导数为角加速度。表示广义角度q对时间求一阶导数，这两个量均可通过滤波得到。

步骤S2，基于数学模型中的已知参数，列出关于q的状态空间方程，并且将数学模型的参数线性化，定义B＝A₁/V₁，C＝A₂/V₂，

线性化结果表示为：