工程作业机器人臂架电液驱动控制系统的半实物仿真方法技术方案

本发明专利技术公开了一种工程作业机器人臂架电液驱动控制系统的半实物仿真方法，包括以下步骤：建立臂架电液驱动系统的阀控液压缸数学模型及位置跟踪控制算法模型；建立半实物仿真硬件平台，平台包括：上位机、目标机控制器、传感器及实际阀控液压缸试验台；通过开环辨识实验将试验台传感器数据经数据采集卡采集并发送至上位机处理，利用参数辨识方法得到阀控非对称缸数学模型实际参数，在此基础上设计位置跟踪控制器并生成控制器代码；将控制器代码下载至目标机控制器中进行半实物仿真实验，分析实际控制效果。本发明专利技术可以实现工程作业机器人臂架电液驱动系统控制算法的快速验证，缩短控制器开发周期，降低开发成本。降低开发成本。降低开发成本。

【技术实现步骤摘要】
工程作业机器人臂架电液驱动控制系统的半实物仿真方法


[0001]本专利技术涉及工程作业机器人臂架控制领域，具体涉及一种工程作业机器人臂架电液驱动控制系统的半实物仿真方法。

技术介绍

[0002]随着工程机械装备的自动化、智能化发展，将机器人技术与工程机械领域深度融合，实现工程作业装备的机器人化，能够有效提高工程作业效率、作业精度以及作业安全，目前已广泛应用于矿山、航空航天、军事、基建等领域。
[0003]液驱机械臂是工程作业机器人的主要作业装置，其电液驱动控制系统是实现臂架高精度控制的关键，由于电液驱动系统工作时具有强非线性、强外负载干扰和系统参数不确定等问题，使得传统PID控制方法已难以满足液驱机械臂的运动控制要求。因此，研究工程作业机器人的臂架高精度运动控制算法成为了工程机械装备领域中亟待解决的问题。
[0004]然而，当前工程作业装备臂架运动控制算法的开发及部署主要面临以下两个问题：一方面，工程作业机器人臂架属于典型的机电液一体化系统，通常在动态、非结构和未知的环境中进行作业，因此，难以建立完整、精确的纯仿真模型，降低了仿真结果的可信度；另一方面，由于需要保证施工进度及施工安全，使得控制算法的现场测试成本高、周期长且易造成安全事故，给控制算法的开发及部署造成了极大的阻碍。因此，研究控制算法的快速开发验证技术对工程机械装备领域的发展至关重要。

技术实现思路

[0005]本专利技术的目的是提供一种工程作业机器人臂架电液驱动控制系统的半实物仿真方法，以实现控制算法的快速开发及验证。r/>[0006]为了实现上述目的，本专利技术的所采用的具体技术方案是：
[0007]一种工程作业机器人臂架电液驱动控制系统的半实物仿真方法，其特征在于，包含下述步骤：
[0008]1)建立臂架电液驱动系统阀控液压缸数学模型，设计位置跟踪控制算法模型；
[0009]2)建立半实物仿真硬件平台，所述硬件平台包括上位机、目标机控制器、传感器以及阀控液压缸试验台。其中，上位机用于Simulink仿真模型的设计、编译和下载，同时对实验过程数据进行显示及保存；目标机控制器运行实时操作系统，用于实验数据的采集、计算、发送以及上传；传感器用于记录阀控液压缸试验台的实际运行数据；阀控液压缸试验台用于模拟工程作业环境下臂架电液驱动系统的实际工作状态；
[0010]3)运行半实物仿真硬件平台，开展阀控液压缸系统开环参数辨识实验，通过上位机获取阀控液压缸试验台运行时的数据，对数据进行预处理后，采用参数辩识方法得到辨识后的系统参数，并通过仿真模型验证参数辨识的准确度；
[0011]4)开展位置跟踪控制半实物仿真实验，通过参数辨识后的阀控液压缸系统数学模型得到位置跟踪控制器，并编译生成控制器代码，由上位机下载至目标机控制器，记录阀控
液压缸试验台运行数据，分析验证位置跟踪控制效果。
[0012]上述的步骤1中，臂架电液驱动系统阀控液压缸数学模型以及位置跟踪控制算法模型包括不考虑液压缸内外泄漏影响的阀控液压缸流量连续性方程：
[0013][0014]其中，V1＝V
10
+A1x和V2＝V
20
‑
A2x分别为液压缸无杆腔有效体积和有杆腔有效体积，V
10
和V
20
分别为无杆腔、有杆腔及相连管道的初始体积，β
e
为有效体积弹性模量，P1和P2分别为液压缸无杆腔和有杆腔的压力，A1和A2分别为液压缸无杆腔和有杆腔的有效工作面积，Q1和Q2为液压缸无杆腔和有杆腔的阀口流量；
[0015]根据阀口流量方程，Q1和Q2可表示为阀芯位移u的函数：
[0016][0017][0018]其中，c1、c2、c3、c4分别为电液比例阀的增益系数，由阀门孔的形状和尺寸决定，P
S
为供油出口压力，P
T
为回油口压力；
[0019]根据牛顿第二定律，阀控非对称缸模型的力平衡方程可表示为：
[0020][0021]其中,x为阀控液压缸位移,m为活塞杆及负载的等效质量,b表示粘性摩擦系数,F为阀控液压缸对系统施加的驱动力,f
l
代表力平衡方程中由参数不确定性、时变外负载干扰、非线性摩擦力等建模误差组成的集总扰动项。
[0022]设置状态空间变量[x1,x2,x3]T
＝[x,v,P1A1‑
P2A2]T
，根据流量连续性方程公式(1)、阀口流量方程公式(2)以及受力平衡方程公式(3)可整理得到阀控液压缸的状态空间表达式为:
[0023][0024]式中，
[0025][0026]其中，x1、x2、x3分别为液压缸的位置、速度及驱动力，m为活塞杆及负载的等效质量,b表示粘性摩擦系数,f
l
代表力平衡方程中由参数不确定性、时变外负载干扰、非线性摩擦力等建模误差组成的集总扰动项。β
e
为有效体积弹性模量，V1＝V
10
+A1x和V2＝V
20
‑
A2x分别为液压缸无杆腔有效体积和有杆腔有效体积，V
10
和V
20
分别为无杆腔、有杆腔及相连管道的初始体积，A1和A2分别为液压缸无杆腔和有杆腔的有效工作面积，c1、c2、c3、c4分别为电液比例阀的增益系数，由阀门孔的形状和尺寸决定，P1和P2分别为液压缸无杆腔和有杆腔的压力，P
S
为供油出口压力，P
T
为回油口压力；
[0027]定义误差函数：
[0028][0029]其中x
1d
、x1分别为液压缸期望位置和液压缸实际位置，F
d
、F分别为虚拟控制器输入和阀控液压缸对系统施加的驱动力，根据李雅普诺夫稳定性理论，得到虚拟控制器输入力F
d
及实际阀芯输入u为：
[0030][0031]各参数说明已由公式(4)、(5)、(6)给出，通过调节反馈增益参数k
p
、k
v
、k
f
，使得位置跟踪满足控制性能指标。
[0032]上述步骤2中，所述半实物仿真硬件平台的运行数据包括液压缸活塞杆位置、速度、泵出口压力、回油口压力、液压缸A口压力、液压缸B口压力以及阀芯输入的电压信号。
[0033]上述步骤3中，开环参数辨识实验主要包括以下步骤：
[0034]A、确定系统辨识参数，设计开环辨识激励信号
[0035]B、建立开环辨识半实物仿真Simulink模型，获取半实物仿真硬件平台的运行数据。
[0036]C、采用零相位低通滤波对运行数据进行预处理，得到无相位差的液压缸活塞杆位置、速度、泵出口压力、回油口压力、液压缸A口压力、液压缸B口压力信号。
[0037]D、采用MATLAB灰箱辨识函数对阀控液压缸数学模型参数进行参数辨识，得到模型参数辨识结果。
[0038本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.工程作业机器人臂架电液驱动控制系统的半实物仿真方法，其特征在于，包含下述步骤：1)建立臂架电液驱动系统阀控液压缸数学模型，设计位置跟踪控制算法模型；2)建立半实物仿真硬件平台，所述硬件平台包括上位机、目标机控制器、传感器以及阀控液压缸试验台；3)基于半实物仿真硬件平台对阀控液压缸系统的开环参数进行辨识，通过仿真模型验证参数辨识的准确度；4)开展位置跟踪控制半实物仿真实验，分析验证位置跟踪控制效果。2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述建立臂架电液驱动系统阀控液压缸数学模型包括：根据液压缸流量连续性方程、力平衡方程以及阀口流量方程建立臂架电液驱动系统阀控液压缸数学模型。3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述上位机基于Simulink进行仿真模型的设计、编译和下载，并对实验过程的数据进行显示及保存；所述目标机控制器运行实时操作系统，用于实验数据的采集、计算、发送以及上传；所述阀控液压缸试验台用于模拟工程作业环境下臂架电液驱动系统的实际工作状态。4.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述基于半实物仿真硬件平台对阀控液压缸系统的开环参数进行辨识包括：A、确定系统辨识参数，设计开环辨识激励信号；B、建立开环辨识半实物仿真Simulink模型，获取半实物仿真硬件平台的运行数据；C、采用零相位低通滤波对运行数据进行预处理，得到无相位差的液压缸活塞杆位置、速度、泵出口压力、回油口压力、液压缸A口压力、液压缸B口压力信号；D、采用MATLAB灰箱辨识函数对阀控液压缸数学模型参数进行参数辨识，得到模型参数辨识结果。5.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述开展位置跟踪控制半实物仿真实验，分析验证位置跟踪控制效果包括：基于参数辨识后的阀控液压缸系统数学模型得到位置跟踪控制器，并编译生成控制器代码，由上位机下载至目标机控制器，记录阀控液压缸试验台运行数据。6.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述阀控液压缸流量连续性方程为：其中，V1＝V
10
+A1x和V2＝V
20
‑
A2x分别为液...

【专利技术属性】
技术研发人员：刘理，廖泽雨，毛建旭，王耀南，何雨桥，张辉，钟杭，缪志强，
申请(专利权)人：湖南大学，
类型：发明
国别省市：