一种水下电动静液作动器干扰补偿控制方法技术

本发明专利技术公开了一种水下电动静液作动器干扰补偿控制方法。方法包括：第一扩张观测器输出外部负载力的估计值至状态空间模型；第二扩张观测器输出海水压力补偿器扰动和总泄漏共同的估计值至状态空间模型；反步控制器输出第二步反步法虚拟控制量；将第二步反步法虚拟控制量作为水下电动静液作动器的电机的转速，从而实现控制水下电动静液作动器对预设位置的精准跟踪。本发明专利技术方法解决了水下电动静液作动器控制精度不高的问题，通过扩张观测器的前馈补偿减少了扰动的影响，提高了水下电动静液作动器的位置控制精度，通过反步控制器确保了整体系统的稳定性和鲁棒性，为水下作业提供了保障。障。障。

An interference compensation control method for underwater electro Hydrostatic Actuator

【技术实现步骤摘要】
一种水下电动静液作动器干扰补偿控制方法


[0001]本专利技术涉及了一种补偿控制方法，具体涉及一种水下电动静液作动器干扰补偿控制方法。

技术介绍

[0002]电动静液作动器(EHA)是一种直驱式容积控制(泵控)电液伺服系统，相对于传统的阀控液压系统具有能量利用效率高，节流损失少的优点，相对于电动机械传动系统容错性高，因此得到广泛应用。
[0003]在海洋装备领域，传统的液压系统应用已十分广泛，大部分传统的液压控制系统，理论上都可采用EHA进行替换，特别是对一体化需求较高的场所。而在一些应用场景中，不仅要求一体化，还对EHA的位置控制精度提出了要求，例如水下接插件插拔作业、水下焊接作业、水下闸门的驱动、水下应急剪缆、水下线缆铺设或者多个EHA组合成升降平台、多关节机械手搭载在航行器上配合完成作业。在该应用场景中，为了给水下精细作业提供保障，控制精度方面一般要求达到毫米级及以上的位置控制精度。毫米级的控制精度在陆上的EHA中，基本可以实现，但是由于水下EHA壳体与海水环境进行交互，存在海水附加压力干扰等问题，相对于陆上的EHA控制难度更大，因此控制精度很难保障。目前水下的EHA的研究工作较少，在结构组成上可借鉴陆上的EHA，为了满足水下环境，补偿海水压力，增加海水压力补偿器进行适应性改造，使回油腔的压力与海水的压力近似相等，由于水下EHA在结构和使用环境上的改变，如果想实现高精度的运动控制，需重新考虑水下电动静液作动器的系统建模和运动控制算法。

技术实现思路

[0004]为了解决
技术介绍
中存在的问题，本专利技术所提供一种针对新兴起的应用于水下的电动静液作动器，建立了涵盖海水压力补偿器动力学模型的，相对完备的状态空间模型。为了提高水下电动静液作动器的作业精度，提出了一种水下电动静液作动器干扰补偿控制方法，解决了海水压力补偿器的压力波动以及外部的海水环境及负载产生的扰动导致控制精度不高的问题。该方法针对水下电动静液作动器面临的海水压力补偿器部分存在的压力扰动以及未知的外部环境作用力的扰动问题，通过扩张观测器的前馈补偿减少扰动的影响，提高水下电动静液作动器的位置控制精度，通过反步控制法设计反步控制器确保干扰补偿系统的稳定性和鲁棒性。
[0005]本专利技术采用的技术方案是：
[0006]本专利技术干扰补偿控制方法包括如下步骤：
[0007]1)建立水下电动静液作动器的状态空间模型。
[0008]2)在考虑水下电动静液作动器的外部负载力、海水压力补偿器扰动以及总泄漏的情况下，基于水下电动静液作动器，分别设计低阶的第一扩张观测器和低阶的第二扩张观测器；其中，低阶为二阶导数以下。
[0009]获取水下电动静液作动器的作动杆的位移的测量值、水下电动静液作动器的作动杆的速度的测量值以及水下电动静液作动器的输出作用力的测量值；将水下电动静液作动器的作动杆的速度的测量值以及水下电动静液作动器的输出作用力的测量值输入第一扩张观测器，第一扩张观测器通过前馈的方式输出外部负载力的估计值至状态空间模型。
[0010]将电动静液作动器的作动杆的位移的测量值以及电动静液作动器的作动杆的速度的测量值输入至第二扩张观测器，第二扩张观测器通过前馈的方式输出海水压力补偿器扰动和总泄漏共同的估计值至状态空间模型。
[0011]3)通过状态空间模型，使用反步控制法，设计反步控制器，将水下电动静液作动器的作动杆的预设位移、预设速度、位移的测量值、速度的测量值以及水下电动静液作动器的输出作用力的测量值输入反步控制器，反步控制器输出第二步反步法虚拟控制量。
[0012]4)反步控制器通过第二步反步法虚拟控制量对水下电动静液作动器的电机进行补偿控制，即将第二步反步法虚拟控制量作为水下电动静液作动器的电机的转速，从而实现对水下电动静液作动器的精准控制，以实现控制水下电动静液作动器对预设位置的精准跟踪。
[0013]即对由反步控制器、第一扩张观测器、第二扩张观测器和状态空间模型共同构成的补偿控制系统进行补偿控制，确保补偿控制系统的整体稳定性。
[0014]所述的步骤1)中，水下电动静液作动器主要由海水压力补偿器和电动静液作动器构成，电动静液作动器主要包括液压缸、液压泵和电机，海水压力补偿器安装在电动静液作动器的电机上。
[0015]电动静液作动器的电机连接液压泵，液压泵通过阀块连接液压缸。
[0016]所述的海水压力补偿器具体为滚动膜片式压力补偿器。
[0017]所述的步骤1)中，建立的水下电动静液作动器的状态空间模型如下：
[0018][0019][0020][0021]其中，为电动静液作动器的作动杆的加速度，为电动静液作动器的作动杆的速度；m
L
为电动静液作动器的惯性负载和液压缸的活塞的总质量；F
l
为电动静液作动器的输出作用力；B
m
为电动静液作动器的液压缸阻尼系数；F(t)为t时刻电动静液作动器的外部负载力；为电动静液作动器的输出作用力的一阶导数；β
e
为油液弹性模量；电动静液作动器的液压缸包括无杆腔和有杆腔，A1和A2分别为液压缸的无杆腔的活塞面积和有杆腔的活塞面积；V1和V2分别为液压缸的无杆腔的容积以及有杆腔的容积；Q
p
为电动静液作动器的液压泵的出口流量；为海水压力补偿器的速度；V
c
为海水压力补偿器的容积，V
c
＝V
c0
‑
A
e
x
c
，V
c0
为海水压力补偿器的初始容积，x
c
为海水压力补偿器的位移；K
x
为海水压力补偿器的滚动膜片和弹簧的复合刚度；A
e
为海水压力补偿器的滚动膜片等效面积；L1为无杆腔和有杆腔的外泄漏的总和，L2为无杆腔和有杆腔的内泄漏的总和。
[0022]所述的电动静液作动器的输出作用力F
l
如下：
[0023]F
l
＝(P1‑
P
s0
)A1‑
(P2‑
P
s0
)A2[0024]其中，电动静液作动器的液压缸主要包括无杆腔和有杆腔，P1和P2分别为电动静液作动器的液压缸的无杆腔的压力和有杆腔的压力；P
s0
为外部海水压力。
[0025]所述的电动静液作动器的液压泵的出口流量Q
p
具体如下：
[0026]Q
p
＝D
p
·
w
‑
L
p
[0027]其中，D
p
为液压泵的排量，w为液压泵的转速，L
p
为液压泵的内泄漏和外泄漏的总和。
[0028]所述的步骤2)中，所述的水下电动静液作动器的外部负载力为电动静液作动器的外部负载力；所述的电动静液作动器上安装有位移传感器、速度传感器和两个压力传感器，位移传感器测量获得电本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种水下电动静液作动器干扰补偿控制方法，其特征在于：包括如下步骤：1)建立水下电动静液作动器的状态空间模型；2)在考虑水下电动静液作动器的外部负载力、海水压力补偿器扰动以及总泄漏的情况下，基于水下电动静液作动器，分别设计第一扩张观测器和第二扩张观测器；获取水下电动静液作动器的作动杆的位移的测量值、水下电动静液作动器的作动杆的速度的测量值以及水下电动静液作动器的输出作用力的测量值；将水下电动静液作动器的作动杆的速度的测量值以及水下电动静液作动器的输出作用力的测量值输入第一扩张观测器，第一扩张观测器通过前馈的方式输出外部负载力的估计值至状态空间模型；将水下电动静液作动器的作动杆的位移的测量值以及水下电动静液作动器的作动杆的速度的测量值输入至第二扩张观测器，第二扩张观测器通过前馈的方式输出海水压力补偿器扰动和总泄漏共同的估计值至状态空间模型；3)通过状态空间模型，使用反步控制法，设计反步控制器，将水下电动静液作动器的作动杆的预设位移、预设速度、位移的测量值、速度的测量值以及水下电动静液作动器的输出作用力的测量值输入反步控制器，反步控制器输出第二步反步法虚拟控制量；4)反步控制器通过第二步反步法虚拟控制量对水下电动静液作动器的电机进行补偿控制，即将第二步反步法虚拟控制量作为水下电动静液作动器的电机的转速，从而实现对水下电动静液作动器的精准控制，以实现控制水下电动静液作动器对预设位置的跟踪。2.根据权利要求1所述的一种水下电动静液作动器干扰补偿控制方法，其特征在于：所述的步骤1)中，水下电动静液作动器主要由海水压力补偿器和电动静液作动器构成，电动静液作动器主要包括液压缸、液压泵和电机，海水压力补偿器安装在电动静液作动器的电机上。3.根据权利要求2所述的一种水下电动静液作动器干扰补偿控制方法，其特征在于：所述的海水压力补偿器具体为滚动膜片式压力补偿器。4.根据权利要求2所述的一种水下电动静液作动器干扰补偿控制方法，其特征在于：所述的步骤1)中，建立的水下电动静液作动器的状态空间模型如下：下电动静液作动器的状态空间模型如下：其中，为电动静液作动器的作动杆的加速度，为电动静液作动器的作动杆的速度；m
L
为电动静液作动器的惯性负载和液压缸的活塞的总质量；F
l
为电动静液作动器的输出作用力；B
m
为电动静液作动器的液压缸阻尼系数；F(t)为t时刻电动静液作动器的外部负载力；为电动静液作动器的输出作用力的一阶导数；β
e
为油液弹性模量；电动静液作动器的液压缸包括无杆腔和有杆腔，A1和A2分别为液压缸的无杆腔的活塞面积和有杆腔的活塞面积；V1和V2分别为液压缸的无杆腔的容积以及有杆腔的容积；Q
p
为电动静液作动器的液压泵
的出口流量；为海水压力补偿器的速度；V
c
为海水压力补偿器的容积，V
c
＝V
c0
‑
A
e
x
c
，V
c0
为海水压力补偿器的初始容积，x
c
为海水压力补偿器的位移；K
x
为海水压力补偿器的滚动膜片和弹簧的复合刚度；A
e
为海水压力补偿器的滚动膜片等效面积；L1为无杆腔和有杆腔的外泄漏的总和，L2为无杆腔和有杆腔的内泄漏的总和。5.根据权利要求4所述的一种水下电动静液作动器干扰补偿控制方法，其特征在于：所述的电动静液作动器的输出作用力F
l
如下：F
l
＝(P1‑
P
s0
)A1‑
(P2‑
P
s0
)A2其中，电动静液作动器的液压缸主要包括无杆腔和有杆腔，P1和P2分别为电动静液作动器的液压缸的无杆腔的压力和有杆腔的压力；P
s0
为外部海水压力。6.根据权利要求4所述的一种水下电动静液作动器干扰补偿控制方法，其特征在于：所述的电动静液作动器的液压泵的出口流量Q
p
具体如下：Q
p
＝D
p
·
w
‑
L
p
其中，D
p
为液压泵的排量，w为液压泵的转速，L
p
为液压泵的内泄漏和外泄漏的总和。7.根据权利要求2所述的一种水下电动静液作动器干扰补偿控制方法，其特征在于：所述的步骤2)中，所述的水下电动静液作动器的外部负载力为电动静液作动器的外部负载力；所述的电动静液作动器上安装有位移传感器、速度传感器和两个压力传感器，位移传感器测量获得电动静液作动器的作动杆的位移的测量值，即水下电动静液作动器的作动杆的位移的测量值；速度传感器观测获得电动静液作动器的作动杆的速度的测量值，即水下电动静液作动器的作动杆的速度的测量值；两个压力传感器分别观测获得电动静液作动器的液压缸的无杆腔的压力的测量值和有杆腔的压力的测量值，进而获得电动静液作动器的输出作用力的测量值，即水下电动静液作动器的输出作用力的测量值；所述的水下电动静液作动器的总泄漏为液压缸两腔的外泄漏...

【专利技术属性】
技术研发人员：聂勇，刘佳佳，劳振华，陈正，唐建中，
申请(专利权)人：浙江大学，
类型：发明
国别省市：