基于鲁棒观测器的七功能液压机械手肘关节输出反馈鲁棒自适应控制方法研究3

基金项目：国家“863”高技术研究发展计划资助项目，项目编号：2008AA092301作者简介：罗高生（1975-），男，福建省三明市人，博士生，主要从深海液压机械手非线性鲁棒自适应控制和深海作业系统液压伺服系统设计。E-mail:[e-mail]通信联系人：顾临怡，男，教授，博导.E-mail:[e-mail]基于鲁棒观测器的七功能液压机械手肘关节输出反馈鲁棒自适应控制方法研究罗高生1，顾临怡1，陈家旺2（1浙江大学流体动力与机电系统国家重点实验室，浙江省杭州310027）（2浙江大学海洋学院，浙江杭州310027）摘要：针对伺服阀控制的、双螺旋副传动的七功能机械手肘关节存在液压系统强非线性、易受外界环境温度和压力变化引起的参数不确定性、外界未知强干扰和仅有位置和油液压力状态反馈的控制难题，提出了基于鲁棒观测器的输出反馈鲁棒自适应控制方法。该方法利用Backstepping控制器设计方法对耦合的未知系统参数和未知状态进行解耦，结合鲁棒观测器控制技术和鲁棒自适应控制方法分别对未知状态和不确定参数进行观测和估计，使用Lyapunov稳定性理论保证了系统全局渐进稳定的控制性以及系统状态的有界性，解决了同时存在系统参数不确定性和部分未知状态耦合的鲁棒控制问题。以国家高科技发展计划4500米深海作业系统的七功能主从液压机械手肘关节作为研究对象，使用本文所提出的控制方法进行在未知外界干扰下的对比研究。实验结果表明，闭环系统可以很好地跟踪参考轨迹，具有较强的鲁棒性，能获得令人满意的稳态精度和动态性能能；同时修正后的参数估计能够保证在外界未知干扰下估计参数的有界性。关键词：液压系统；双螺旋副传动；鲁棒观测器；输出反馈鲁棒自适应控制；Backstepping控制图分类号：文献标识码：ResearchonRobustOutputFeedbackAdaptiveControlof7-funHydraulicManipulatorElbowBasedonRobustObserverLUOGao-sheng,GULin-yi,CHENJia-Wang（TheStateKeyLabofFluidPowerTransmissionandControl,ZhejiangUniversity,Hangzhou310027,China）(2OceanCollege,ZhejiangUniversity,310058,Hangzhou,PRChina)Abstract：Arobustoutputfeedbackadaptivecontrolmethodbasedonrobustobserverisproposedbasedonthefactthattheservo–valvecontrolledelbowjointofa7-functionhydraulicmanipulatorwithdouble-screw-pairtransmissionhasthecontrolcharacteristicsofstrongnonlinearityofthehydraulicsystem,parametricuncertaintiessusceptibletotemperatureandpressurechangesoftheexternalenvironment,unknownexternaldisturbances,andonlypositionandpressuremeasurements.UtilizedthedesignmethodoftheBacksteppingcontrollertodecoupletheunknownparametersandstates,andcombinedwiththerobustestimatordesignandrobustadaptivecontrollerdesignmethodtoestimateunknownparametersandunknownstates,thegloballyasymptoticstabilityandboundednessofobserver-controllersystemwasguaranteedbyusingLyapunovstabilitytheory,andtherobustproblemsofcoupledunknownsystemparametersandstateshasbeensuccessfullysolved.Usingtheelbowjointofthe7-functionmaster-slavehydraulicmanipulatorforthe4500-mDeep-seaWorkingSystemastheresearchsubject,acomparativestudywasconductedusingthecontrolmethodpresentedinthispaperunderunknownexternaldisturbances.Theexperimentalresultsshowthat1)theproposedcontroller,withstrongrobustness,couldtrackthedesiredreferencetrajectorywithsatisfieddynamicperformanceandsteadyaccuracyandthat2)themodifiedparameteradaptivelawscouldalsoguaranteetheboundednessoftheestimatedparameters.Keywords：HydraulicSystem;Double-screw-pairTransmission;RobustObserver;RobustOutputFeedbackAdaptiveControl;BacksteppingControl;1引言深海液压机械手是搭载在水下远程有缆运载器(ROV)和载人潜器(HOV)上的主要作业工具，用于海底科学研究和资源的勘探、开发等。随着机械手作业任务和作业对象日益精细，对于液压机械手的定位精度和位置跟踪能力的要求也越来越高。双螺旋副传动的七功能液压机械手肘关节(图1所示)是深海液压机械手的重要组成部分，它使用的是液压驱动摆动油缸的传动方式。众所周知，液压驱动月的控制系统具有非常强的非线性[1]；系统的控制易受伺服阀的死区、阀芯摩擦[2]和液压系统的泄露等未建模非线性的影响；同时，液压系统在工作过程中，系统参数也易受外界环境的影响，如系统的弹性模量容易受到外界温度、压力等的影响；另外，机械手在不同的任务下所抓取的重物也是不同的，肘关节会受到大范围变化的未知外界干扰和未知附加惯性质量的影响；深海作业的机械手在运动过程中，由于各个关节具有不同的线速度和角速度以及未知的水动力系数[3]，它所受到海水阻尼的影响也是未知的。在液压机械手关节位置空间非常受限的场合下，通常在关节上很难增加角速度传感器而仅安装有角度位置传感器，关节角速度无法直接获取，并且未知的角速度会和未知系统参数相互耦合。综上所述，双螺旋副传动的七功能液压机械手肘关节在作业过程中其控制具有以下难点：1、系统是一个强非线性系统；2、系统具有不确定参数；3、系统受到未知外界的强干扰；4、系统具有未知的状态；5、系统未知状态和不确定参数相互耦合。图1七功能液压机械手及其肘关节Fig.1elbowof7-funhydraulicmanipulatoranditselbow对液压驱动的机械手关节位置的控制方法研究目前已有许多重要的成果[4-6]，大部分的控制方法均是假设系统所有状态均已知的场合。为获得机械手肘关节的角速度状态，直接的做法是采用角速度传感器，但由于机械手肘关节位置受限而无法直接安装角速度传感器来获得角速度信息。事实上即使有角速度传感器，噪声也很容易混入速度信号[7]，这样系统增益就会受到限制，从而影响实际控制效果；此外，在许多应用中，还有使用对滤波后的位置信号进行微分来获得速度的方法，这种方法对于高速和低速的场合的效果均不理想[8]。已有相当多的文献研究液压控制的机械手系统的非线性观测器[9-12]，滑模状态观测器(SlidingObserver)[13-16]是几种典型的具有理论收敛的观测器；BinYao和LiXu提出了基于参数线性化和参数系数耦合系数信号已知的非线性观测器[17]，通过坐标变化获得参数估计。这些观测器可以应用在需要对未知参数和未知状态进行同时估计的自适应鲁棒控制的场合，但是所应用的系统必须是未知参数和状态可线性分离的，且参数前面的状态必须是已知的。本文的第二和第三部分针对未知参数和未知状态耦合的液压机械手肘关节控制模型，构造出系统的鲁棒观测器和鲁棒自适应控制器，证明了基于鲁棒观测器的鲁棒自适应控制器具有全局渐进稳定的控制性能以及系统状态的有界性；文中的第四部分利用国家高科技发展计划4500米级深海作业系统的七功能液压机械手肘关节作为实验研究对象，通过实验验证了所提出的控制方法的有效性和正确性。2双螺旋副传动的七功能液压机械手肘关节系统建模双螺旋副传动的七功能液压机械手肘关节系统的原理图如图2所示。图2七功能液压机械手肘关节系统原理图Fig.2Hydraulicschematicofelbowof7-funmanipulatorelbow它主要由肘关节本体和伺服阀7组成。肘关节本体由角度传感器1，肘关节缸体2，输出轴3，外螺旋副4，活塞5，内螺旋副6，以及其他辅件组成。传感器1与输出轴3连接，用于检测输出轴3相对缸体2的转动角度；活塞5与缸体2之间以外螺旋副4相啮合，与输出轴3之间以内螺旋副6相啮合；机械手肘关节深海液压机械手肘关ROV月内螺旋副4与外螺旋副6螺旋的旋向相反。活塞5在它两端油液压差LP的作用下在缸体1内部运动Lx的位移，同时在外螺旋4和内螺旋副6的作用下，使得输出轴3做角度的旋转摆动运动。伺服阀7的供油压力为sP，回油压力为RP，伺服阀线圈的输入电流为i。双螺旋副传动摆动油缸的肘关节输出力矩方程为：LTAPK(1)其中，为肘关节输出轴的输出力矩；A为活塞5的有效作用面积，是已知的正常数值；TK是已知的正驱动常数，是液压力与输出力矩的转换系数；LP的状态可以通过压力传感器来获得。机械手肘关节的动力学方程为：fbI(2)其中，为肘关节输出轴3的输出摆动角，它可以通过关节的角度传感器1获得；I为关于肘关节输出轴3的转动惯量，是符号为正的、有界的、与负载相关的慢变或者不变的未知量；b是符号为正的、未知的有界阻尼系数，是液压系统阻尼和外界未知阻尼的共同作用量；f为外界未知不变或者慢变的扰动力矩，如外界负载扰动力矩和肘关节螺旋副传动的摩擦力矩等。双螺旋副传动的肘关节摆动缸的流量连续性方程[2]为：LLtmLLetQPCxAPV4(3)其中：tV是摆动油缸容积加上伺服阀到摆动油缸之间的管线油液容积之和，是一个已知量；e是液压油的有效弹性模量，为易受外界温度和压力影响的未知慢变量但其符号已知，一般为正的；tmc为总的泄露，对于摆动油缸结构来说它非常小，在建模过程中可以将它忽略。Lx为活塞5的位移，由双螺旋副传动的结构可知，它与输出轴3的转动角之间的关系为：KxL(4)K为位移比例系数，是活塞5的位移Lx与输出轴3的摆动角度之间的比例系数，为一个已知的正常数值。伺服阀的压力流量方程[2]为：LvsvqLPxPxKQ)sgn((5)LQ是流过阀的流量，它是阀芯位移的函数；1wCKdq为已知伺服阀的参数；dC为流量系数；w为阀口面积；为油液密度；vx为阀芯位移。阀芯位移的方程可以用一阶惯性环节[7]来表示：iKxxvvvv(6)其中，iK为输入电流比例系数，为已知量。放大板的电流电压方程为：uKiiii(7)i和u分别是伺服阀线圈的电流和放大板的控制输入电压；vK为