Force-controlled Compensation Scheme for P-Q Valve-controlled Asymmetric Cylinder used on Hydraulic Quadruped Robots

Under the requirement of the force controller of hydraulic quadruped robots,the goal of this work is to accurately track the force commands at the level of the hydraulic drive unit.The main contribution focuses on the development of a force-controlled compensation scheme,which is specifically aimed at the key issues affecting the hydraulic quadrupedal locomotion.With this idea,based on a P-Q valve-controlled asymmetric cylinder,we first establish a mathematical model for the hydraulic drive unit force control system.With the desired force commands,a force feed-forward algorithm is presented to improve the dynamic performance of the system.Meanwhile,we propose a disturbance compensation algorithm to reduce the influence induced by external disturbances due to foot-ground impacts.Afterwards,combining with a variable gain PI controller,a series of experiments are implemented on a force control performance test platform to verify the proposed scheme.The results demonstrate that the force-controlled compensation scheme has the ability to notably improve the force tracking accuracy,reduce the response time and redundant force.

Parameter Estimation of a Valve-Controlled Cylinder System Model Based on Bench Test and Operating Data Fusion

The accurate estimation of parameters is the premise for establishing a high-fidelity simulation model of a valve-controlled cylinder system.Bench test data are easily obtained,but it is challenging to emulate actual loads in the research on parameter estimation of valve-controlled cylinder system.Despite the actual load information contained in the operating data of the control valve,its acquisition remains challenging.This paper proposes a method that fuses bench test and operating data for parameter estimation to address the aforementioned problems.The proposed method is based on Bayesian theory,and its core is a pool fusion of prior information from bench test and operating data.Firstly,a system model is established,and the parameters in the model are analysed.Secondly,the bench and operating data of the system are collected.Then,the model parameters and weight coefficients are estimated using the data fusion method.Finally,the estimated effects of the data fusion method,Bayesian method,and particle swarm optimisation(PSO)algorithm on system model parameters are compared.The research shows that the weight coefficient represents the contribution of different prior information to the parameter estimation result.The effect of parameter estimation based on the data fusion method is better than that of the Bayesian method and the PSO algorithm.Increasing load complexity leads to a decrease in model accuracy,highlighting the crucial role of the data fusion method in parameter estimation studies.

Synchronization Control of the Oppositely Driven System with Dual Asymmetric Cylinders

ＳｙｎｃｈｒｏｎｉｚａｔｉｏｎＣｏｎｔｒｏｌｏｆｔｈｅＯｐｐｏｓｉｔｅｌｙＤｒｉｖｅｎＳｙｓｔｅｍｗｉｔｈＤｕａｌＡｓｙｍｍｅｔｒｉｃＣｙｌｉｎｄｅｒｓＷＡＮＧＸｕａｎｙｉｎ；ＬＩＵＱｉｎｇｈｅ；ＷＵＳｈｅｎｇｌｉｎ（王宣银，刘庆和，吴盛林）（Ｄｅｐ...

ADAPTIVE CONTROLLER AND ITS APPLICATION IN FORCE SYSTEM OF ASYMMETRIC CYLINDER CONTROLLED BY SYMMETRIC VALVE

Partial pressure, system vibration and asymmetric system dynamic performance exit in asymmetric cylinder controller by symmetric valve hydraulic system. To solve this problem in the force control system, model reference adaptive controller is designed using equilibrium point stability theory and output error equation polynomial. The reference model is selected in such a way that it meets the system dynamic performance. Hardware configuration of asymmetric cylinder controlled by asymmetric valve hydraulic system is replaced by intelligent control algorithm, thus the cost is lowered and easy to application. Simulation results demonstrate that the proposed adaptive control sheme has good adaptive ability and well solves asymmetric dynamic performance problem. The designed adaptive controller is fairly robust to load disturbance and system parameter variation.

Structural Design and Dynamic Characteristics of Overloaded Horizontal Servo Cylinder for Resisting Dynamic Partial Load

When an output curve force is applied to a horizontal servo cylinder with a heavy load, the piston rod bears a dynamic partial load based on the installation and load characteristics, which significantly a ects the frequency response and control accuracy of the servo cylinder. Based on this partial load, increased friction can lead to cylinder bore scu ng, leakage, lack of output power, or even system failure. In this paper, a novel asymmetric static-pressure support structure is proposed based on the principle of hydrostatic support. The radial component force of a dynamic partial load is balanced by cooperation between the support oil cushion of the variable hydraulic pressure support structure, oil cushion of the supportive force, and the damper. Adaptive control of the servo cylinder piston rod, guide sleeve, and piston, as well as the cylinder oil film friction between lubricated surfaces is achieved. In this paper, theoretical design and analysis of the traditional hydrostatic bearing structure and novel structure are presented. A hydraulic dynamic shear scissor is used as a research target to derive a structural dynamic model. Comparative simulations are performed using Matlab Simulink. Additionally, flow field analysis of the novel structure is performed, which verifies the rationality and feasibility of the proposed structure and system.

Sliding Mode Control in Position Control for Asymmetrical Hydraulic Cylinder with Chambers Connected

In this paper, single, two-position, two-way proportional valve is used to carry out the positon control of asymmetrical hydraulic cylinder with two chambers connected. The system structure and the working princle are introduced. The dynamic model of the asymmetrical hydraulic cylinder system is established with power bond graphs method, and becomes a fundament for analyzing the system. Sliding mode controller is designed, and the stability of the control system is analyzed. The simulation results indicate that the sliding mode controller designed can actualize the position control of asymmetrical hydraulic cylinder system, and controller is superior to traditional PID controller when the load changes in some range.

基于反步法的下肢外骨骼机器人控制研究

针对下肢外骨骼预定轨迹的控制问题,在构建了二自由度机械腿的运动学和动力学模型的基础上,提出了一种非对称液压缸负载力、伸缩量与外骨骼转动扭矩、运动角度的转化关系,采用反步法控制下肢外骨骼系统的运动轨迹。首先,采用D-H法建立了二自由度下肢外骨骼系统的运动学模型,研究了外骨骼末端执行器关节速度的变化关系,并利用拉格朗日动力学方程推导了外骨骼动力学的数学模型;然后,使用了液压缸负载力控制为机械腿运动提供了相应的扭矩,进而控制了下肢外骨骼的运动姿态;其次,针对下肢外骨骼运动时的高精度要求,利用反步法控制理论,建立了阀控非对称缸系统,结合下肢外骨骼动力学系统整体的状态空间方程,利用下肢外骨骼液压伺服系统控制了下肢外骨骼进行预定轨迹运动;最后,对AMESim软件与Visual Studio软件进行了联合仿真,对比分析了PID控制与反步法控制的精度问题。研究结果表明:针对下肢外骨骼预定轨迹控制,反步法控制误差最大值为2°,对比传统PID控制,误差降低了67%;设计的反步法控制器对于下肢外骨骼具有良好的控制精度。

负载口独立控制阀控非对称缸压力跃变消除方法研究

针对液压同步控制系统中非对称缸换向时产生的压力跃变导致同步控制系统振荡甚至不稳定问题,提出一种基于负载口独立控制阀控非对称缸系统的换向压力跃变消除方法。分析了传统阀、非对称阀和负载口独立控制阀控非对称缸系统产生压力跃变的机理。在AMESim中搭建传统阀与负载口独立控制阀控非对称缸系统模型,在不同系统压力和给定信号下,对比分析了两种系统液压缸位置跟随及换向时两腔压力跃变情况。搭建了负载口独立控制阀控非对称缸系统实验台,验证了该方法的有效性。仿真与实验结果表明,采用负载口独立控制阀控非对称缸系统通过模糊自适应控制算法可以很好地实现位置跟随;可以完全消除非对称缸换向时的压力跃变,减小系统抖动,使得系统动作更加平稳;当液压缸以方波动作时,换向时压力冲击较正弦波动作时大。

基于H_(∞)控制器的阀控非对称缸位置伺服系统控制

以阀控非对称缸位置伺服系统为研究对象,建立其数学模型;针对负载突变及油液弹性模量变化提出了H∞鲁棒控制方法,从频域上分析了控制器对系统动态性能和稳态性能的影响。采用AMESim和MATLAB/Simulink搭建了阀控非对称缸位置伺服系统的联合仿真模型,对不同工况下控制器的跟踪精度及抗扰能力进行仿真研究。最后,通过油缸加载实验测试平台对仿真结果进行进一步验证。结果表明:所设计的H∞控制器提高了系统的快速性和鲁棒性,相比于PID控制下系统正弦响应结果,H∞控制器的最大跟踪误差在无负载工况下降低了48.8%,在负载突变工况下降低了56.25%;同时阶跃响应时间缩短了7.5%。

非对称液压缸位移伺服系统的复合控制策略与试验研究

非对称液压缸的位移伺服系统存在两腔作用面积不等、系统模型不确定等特点,给液压缸高精度位移跟踪控制造成了巨大的困难。对此,提出以速度前馈为主与位移反馈为辅的复合控制策略。设计一种新的以控制电流和阀口压差为自变量的伺服阀流量计算模型,并根据该模型设计液压测试回路,通过测试结果辨识模型中的参数。根据伺服阀流量模型与目标位移轨迹计算速度前馈控制量。基于PI控制求出位移误差反馈控制量。最后,将速度前馈和位移反馈控制量相叠加作为伺服阀的驱动电压。通过试验得出在复合控制策略下液压缸位移跟踪的最大误差与目标位移幅值之比为2.1%,相对PID控制跟踪误差明显减小。提出的控制策略为生产实际中非对称液压缸的位移跟踪控制提供了一种简单、有效的方法。

基于双层CESO的电液伺服系统线性自抗扰控制

针对含高频噪声的阀控非对称缸不确定扰动抑制问题,采用扰动频率分层技术,利用线性扩张状态观测器低通滤波特性以及扰动估计速度和精度与带宽取值正相关性的特点,提出一种基于双层级联扩张状态观测器的阀控非对称缸电液伺服系统线性自抗扰方法。在分析双层级联线性扩张状态观测器稳定性基础上,与传统线性自抗扰控制方法进行了仿真对比研究。仿真结果表明:该控制方法继承了传统自抗扰控制优点,提高了不确定扰动估计速度和精度,有效抑制了含高频测量噪声不确定扰动带来的不利影响,可实现阀控非对称缸电液伺服系统的高性能控制。

基于自适应反步法的直驱式泵控液压系统控制策略

在闭式泵控伺服系统位置输出控制过程中,会出现非对称缸建模难、参数不确定性和控制算法调试困难等问题,为此,提出了一种自适应反步法控制策略(控制器),并采用半实物仿真平台对其可行性进行了验证。首先,推导了考虑单向阀和溢流阀的直驱式泵控非对称缸液压系统的数学模型;其次,采取引入向量的方式,将数学模型变成了严格反馈形式,以此设计了新的自适应反步法控制器,解决了参数不确定问题;最后,在Linux+Preempt-RT半实物仿真平台下,完成了直驱式泵控非对称缸位置系统自适应反步法控制的阶跃信号、正弦信号和加入时变负载的正弦信号试验,并将其控制结果与传统PID控制结果进行了对比分析。研究结果表明:采用自适应反步法的控制器的稳态精度可以达到±3.98 mm,相比PID的控制精度提高了53.6%;同时,在系统位置控制过程中,采用参数自适应律对系统的不确定性参数进行实时调整估计,可以呈现出良好的自适应动态逼近过程。该自适应反步法控制策略具有良好的跟踪性能和鲁棒性。

对称/非对称泵控非对称缸系统四象限工况运行特性对比

闭式泵控系统驱动非对称液压缸时,需要增加复杂的大流量补偿回路来补偿非对称缸两腔面积差引起的非对称流量。挖掘机作业负载力较小时,补油腔和控制腔频繁切换,补油阀开启状态不稳定,难以实时匹配大流量的油液补偿。同时大流量油液频繁流动造成速度和压力波动,产生液压冲击,影响系统的平稳性。提出非对称泵控非对称液压缸系统方案,利用非对称泵自身结构匹配非对称流量。以典型四象限工况执行器斗杆为对象,构建非对称泵控和对称泵控斗杆挖掘机仿真模型,对比研究运行特性。结果表明,该系统无需大流量补偿即可平衡非对称流量,消除了速度和压力波动,且发现四象限工况切换和速度、压力波动的产生是不同步的。

钢内衬管道运输车电液转向系统建模与仿真分析

电液转向执行机构的性能直接影响钢内衬管道运输车的转向响应和操控性,比例阀作为电液转向系统的核心控制元件,其性能的优劣直接关系到整个系统的动态响应和稳定性。文中结合钢内衬管道运输车多轮转向系统电液转向执行机构,对比例阀的负载压力及流量特性进行了详细分析,结合非对称液压缸结构特点建立了非对称液压缸负载流量方程及其动力学模型,在此基础上利用拉普拉斯变换推导了能够表征阀控非对称液压缸动态特性的数学模型,最后基于Matlab Simulink对电液转向执行机构的动态特性进行仿真,验证所建立模型的准确性。

基于滑模扰动观测器的阀控缸增量式模型预测控制

在强扰动环境下,阀控非对称液压缸采用模型预测控制会存在性能下降和静态误差等问题,并提出了一种新的方法来解决这些问题。该方法基于滑模扰动观测器,用于阀控非对称液压缸的增量式模型预测控制。首先,建立非对称缸的非线性数学模型,并将其反馈线性化,然后,将线性化模型增量化作为预测模型,以减小系统静态误差,接着,根据液压缸力平衡方程设计滑模扰动观测器,并将观测的负载扰动值用于前馈补偿。仿真结果表明,滑模扰动观测器对负载扰动的观测估计快速、准确;所提出的控制方法使系统的动态响应特性得到提高。通过仿真,与非增量式模型预测控制进行对比,所提方法响应速度快、稳态误差小,对负载变化的抗扰动性强,有效提高了位移跟踪精度。

基于互联与阻尼分配框架的电液伺服系统轨迹跟踪策略

在中大型挖掘机电液伺服系统中存在复杂耦合非线性、模型不确定性,以及外部载荷不确定性等因素,都会造成挖掘机轨迹跟踪误差大,导致电液伺服系统的动态性能差。针对这一问题,提出了一种基于互联和阻尼分配(IDA)框架的反演控制器,以提高挖掘机工作装置在挖掘任务中的跟踪性能,并加强其鲁棒性。首先,利用先导阀、阀控非对称缸和阀控非对称缸模型构建了电液伺服系统的状态空间模型,并进一步基于哈密顿理论将该状态空间模型构造为具有扰动的三阶开环端口哈密顿系统(pH)。根据从pH系统中获得的互联矩阵和阻尼矩阵结构,逐步设计了虚拟控制信号,得到了控制律;然后,构造了一个匹配方程,以简化在其他系统上的设计和计算过程,并将期望的能量函数作为候选李雅普诺夫函数,根据李雅普诺夫稳定性定理证明了闭环系统在期望轨迹上的收敛性和稳定性;最后,以挖掘机铲斗及其电液伺服系统为对象,采用数值仿真实验验证了基于IDA框架的反演控制算法的轨迹跟踪性能。研究结果表明:在不考虑模型不确定性的情况下,所提出的控制器与其他三种控制器相比,在位置控制上的收敛速度可提高1.9%~6.3%;在轨迹跟踪上可保持优秀的收敛速度,且最大跟踪误差降低70%~81%;在模型不确定和时变负载的情况下,所提出的控制器与其他三种控制器相比,面对冲击时的最大跟踪误差仅增加0.004 m,调节所需控制输入降低4%~20%。这表明上述控制算法具有更优秀的综合跟踪性能和更强的鲁棒性。

四通阀控非对称液压缸微分前馈伺服控制方法分析

非对称液压缸的左右两腔有效面积不同,导致其动态特性和控制策略相较于对称液压缸更为复杂,提出四通阀控非对称液压缸微分前馈伺服控制方法。建立四通阀控非对称液压缸的数学模型作为被控对象,设计一个微分前馈控制器应用于伺服系统,根据输入指令和反馈信号实时调整四通阀的开度,实现对非对称液压缸的控制。实验结果表明,设计方法下阀控非对称缸伺服系统跟随响应曲线的滞后时间为0.024 s,幅值衰减5%,在伺服系统控制要求的允许范围内。

基于SIMULINK的智能剥锌机剥离过程液压控制系统建模与仿真分析

智能剥离单元是智能剥锌系统中的核心装备,用于对阴极铝板上的电沉积金属锌片进行剥离。本文以某公司研发的全新一代BKAS-32型智能剥锌机的智能剥离单元为研究对象,针对其非对称液压缸控制系统的特点,建立了电液比例阀控液压系统的数学模型,设计了基于单神经元控制算法的剥离过程液压控制系统模型并进行了仿真分析,通过与传统PID控制系统的仿真结果进行对比,论证了基于单神经元控制算法的剥离过程液压控制系统性能的优越性。经过现场应用表明,应用单神经元控制算法的智能剥离单元的剥离刀具组件双向运行速度曲线平滑,对称性高,两侧剥离刀具组件的速度差小于1%,极大地增加了智能剥离单元剥离作业的稳定性。

对称四通阀控非对称液压缸伺服系统动态特性研究

对称四通阀控对称液压缸的分析结果对对称四通阀控非对称液压缸动态特性研究已不适用。在建立对称四通阀控非对称液压缸动态数学模型的基础上 ,利用Matlab中的Simulink构建了仿真模型 ,并结合具体系统对其动态特性进行了仿真研究 ;通过试验得到了实测阶跃响应曲线和输出位移曲线。对比分析可以看出仿真结果与试验结论基本吻合 ,论证了动态数学模型的正确性 ,同时表明计算机仿真是研究该类系统动态特性的有效途径。

基于液压弹簧刚度的阀控非对称缸建模仿真

针对一般方法建模时所定义的负载压力未能充分考虑非对称缸结构的不对称性和初始位置时液压弹簧刚度并非最小的问题,提出用等效承压面积加权平均的方法重新定义负载压力,推导出了滑阀线性化流量方程;利用液压弹簧刚度理论分析液压固有频率最小时非对称缸的初始位置和总容积,建立了阀控非对称缸的数学模型,提出了相应的设计准则,通过仿真和试验分析了该模型的动态特性,且与一般模型进行了比较。结果表明,该模型较一般模型更精确,更接近工程实际。