一种液压系统的控制方法及其应用
阅读说明：本技术 一种液压系统的控制方法及其应用 (Control method of hydraulic system and application thereof ) 是由 薛漫天 马永浩 桂凯 张硕 余天奇 于 2021-08-25 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种液压系统的控制方法及其应用,包括步骤：(1)在液压缸两侧的入口处安装压力传感器测量当前腔体内的压力,在入油管路上安装压力传感器测量供给的压力；(2)构建液压系统控制模型,据此构建液压系统动态模型；(3)根据步骤(2)建立液压系统状态动态模型,并根据规划与控制要求计算得到期望液压系统状态；(4)结合步骤(3)构建模型预测控制的目标函数；(5)在当前时刻求解步骤(4)的目标函数得到下一时刻的控制量,并据此控制液压系统；(6)重复步骤(5),直至完成液压系统控制。本发明针对液压系统构建液压系统动态模型,在控制中考虑了液压系统的特性,提升了位置跟踪的性能。(The invention discloses a control method of a hydraulic system and application thereof, comprising the following steps: (1) installing pressure sensors at inlets on two sides of the hydraulic cylinder to measure the pressure in the current cavity, and installing pressure sensors on the oil inlet pipeline to measure the supplied pressure; (2) constructing a hydraulic system control model, and accordingly constructing a hydraulic system dynamic model; (3) establishing a hydraulic system state dynamic model according to the step (2), and calculating to obtain an expected hydraulic system state according to planning and control requirements; (4) constructing a target function of model predictive control by combining the step (3); (5) solving the objective function in the step (4) at the current moment to obtain the control quantity at the next moment, and controlling the hydraulic system according to the control quantity; (6) and (5) repeating the step until the hydraulic system control is finished. The invention constructs a hydraulic system dynamic model aiming at the hydraulic system, considers the characteristics of the hydraulic system in the control and improves the performance of position tracking.)
技术领域
本发明涉及液压系统控制领域，具体涉及一种液压系统的控制方法及其应用。
背景技术
受限于成本和技术成熟度，工程车辆的厂商大多采用开关型电磁阀作为液压转向控制系统的执行机构，经过PWM脉宽调制来模拟比例型电磁阀对液压系统的位置进行开环控制(依靠操作人员观察进行反馈控制)。具体的使用场景有机械臂控制、机器人转向控制等，如阿克曼底盘液压转向控制。
电驱动阿克曼类型的工程车辆通常由电机驱动后轮，其执行机构电机速度控制性能较好，控制方法成熟可靠。其转向系统通常由液压驱动，液压控制系统广泛应用于工程的各个领域，尤其是对于负载要求较高的应用，液压驱动系统具有简单可靠，技术成熟，价格低廉的特点，是大型设备的首选驱动系统。但液压驱动的控制系统需要应对强非线性的系统动态特性，对于液压系统的位置动态跟随控制提出了较高的要求。实际工程实践中，往往是由操作人员通过观察来操作液压驱动系统，例如挖掘机、起重机等设备的机械臂就是液压驱动，需要操作人员根据观察到的位置进行反复调整。
对于有改造要求的车辆，厂商通常会在前轮转向处增加一个绝对式编码器，通过该编码器反馈回的位置信息进行反馈控制。由于受到液压系统的非线性影响，整个控制系统的控制带宽较低，系统的响应较慢，往往需要等待缸内压力建立之后再进行位置调节。另外，由于开关型电磁阀通过定周期快速的开关来实现脉宽调制，进一步降低了液压控制系统的位置跟踪性能。
厂商提供的电驱动的阿克曼工程车辆中，通常底层的跟踪控制器分别对电机速度以及液压转向角度进行跟踪控制。在该控制架构下，对于车辆液压转向跟随产生的实际误差需要上层的规划器进行校正，导致其整体控制性能不佳，对于上层规划有较高更新频率要求。
发明内容
发明目的：针对上述不足，本发明提供了一种液压系统的控制方法及其应用，针对液压系统构建液压系统动态模型，在控制中考虑了液压系统的特性，提升了位置跟踪的性能。
技术方案：
一种液压系统的控制方法，包括步骤：
(1)在液压缸两侧的入口处安装压力传感器测量当前腔体内的压力，在入油管路上安装压力传感器测量供给的压力；
(2)构建液压系统控制模型，据此构建液压系统动态模型；
(3)根据步骤(2)建立液压系统状态动态模型，并根据控制要求计算得到期望液压系统状态；
(4)结合步骤(3)构建模型预测控制的目标函数；
(5)在当前时刻求解步骤(4)的目标函数得到下一时刻的控制量，并据此控制液压系统；
(6)重复步骤(5)，直至完成液压系统控制。
所述步骤(2)中，构建液压系统控制模型具体为：
构建液压驱动控制方程：
其中，表示液压缸内两侧腔体的压力变化率，i∈{1,2}；gi表示电磁阀数学模型函数，Pi表示液压缸内一侧腔体的压力；Ps表示液压泵的出口压力；δ表示液压系统转向角度；ui＝{0,1}表示液压系统的两个开关电磁阀控制命令，其中，0表示关，1表示开，或者反之表示；
设计实验，使得Ps,Pi,δ,ui在处于不同初始数值的时候，分别记录Pi的变化曲线并进行拟合，得到电磁阀数学模型gi函数，进而得到液压驱动控制模型。
所述步骤(2)中，构建液压系统动态模型具体为：
液压系统的动力学描述如下：
其中，M表示液压系统的等效总质量；表示传动函数，将液压系统的转向角加速度转换为液压缸直线位置，表示液压系统的转向角加速度；P1、P2分别表示液压缸内两侧腔体的压力；Sp指的是液压缸内活塞的截面积；τf(δ)表示液压系统摩擦力模型函数，将转向角度转换为摩擦力；表示液压系统的转向角速度；表示液压系统的负载模型函数，将液压系统的转向角速度转换为负载；摩擦力与负载均为常数；
由此得到液压系统转向角加速度的动态特性：
其中，f-1()为传动函数，将液压缸直线位置转换为液压系统的转向角加速度；
由此得到液压系统的动态模型：
所述步骤(3)具体为：
定义液压系统状态变量为液压系统的控制量为u＝[u1,u2]，则将其离散为N时间段之后，可简记为：
xstate(k+1)＝H[xstate(k),u(k)]
其中，xstate(k)表示k时刻的液压系统状态，u(k)表示k时刻的液压系统的两个开关电磁阀控制命令，k∈[1,2,...,N]，N表示预测控制总时间步长。
所述步骤(3)中，根据液压系统的控制要求计算得到其目标位姿，则期望的液压系统状态如下：
其中，δtarget(k)表示期望的液压系统的转向角度，期望的液压系统的转向角速度。
所述步骤(4)具体为：
构建模型预测控制的目标函数：
通过求取控制量序列[u(1),u(2),...u(N)]使得目标函数最小；
其中，控制量序列中各时刻控制量的初始值均为0；QN是N时刻的液压系统的状态与期望状态之间偏差的权重矩阵；对角矩阵Q，R分别表示液压系统状态轨迹权重矩阵和控制轨迹权重矩阵；
建立约束：
所述步骤(5)具体为：
在某个控制周期k时刻，液压系统的控制器求解步骤(4)构建的目标函数得到k+1时刻的控制量序列u＊＝[u(1),u(2),...u(N)]，则取u(1)作为k+1时刻的液压系统的两个开关电磁阀控制命令控制液压系统；
采集k+1时刻液压系统状态信息更新液压系统约束方程xstate(0)＝X0，取k时刻的控制量序列代入目标函数中即可求解k+2时刻的控制量序列。
一种混合动力驱动液压系统的控制方法，包括步骤：
(1)在所述液压缸上方还安装有辅助驱动组件，包括辅助电机及齿条，在与液压缸平行位置安装有齿条，齿条与活塞固连，辅助电机的电机轴末端安装有与齿条啮合配合的齿轮，辅助电机通过PID控制器控制；
(2)构建液压系统状态动态模型；
将辅助电机的旋转运动转换为平移运动：
τm＝rgearKmotorum
其中，rgear表示辅助电机减速机减速比与力臂之乘积；τm表示辅助电机经过减速机放大之后的输出力；Kmotor为辅助电机常数，表示电流转换为力矩的能力；um表示辅助电机的控制力矩；
则混合动力驱动的液压系统的动力学描述如下
其中，M表示液压系统的等效总质量；表示传动函数，将液压系统的转向角加速度转换为液压缸直线位置，表示液压系统的转向角加速度；P1、P2分别表示液压缸内两侧腔体的压力；Sp指的是液压缸内活塞的截面积；τf(δ)表示液压系统摩擦力模型函数，将液压系统的转向角度转换为摩擦力；表示液压系统的转向角速度；表示液压系统的负载模型函数，将液压系统的转向角速度转换为负载；
此时，摩擦力模型如下
其中，τsf表示液压系统的静摩擦力，τcf表示液压系统的库伦摩擦力，Cvf表示粘性摩擦力参数；
由此得到液压系统的角加速度的动态特性：
进而得到液压系统的完整描述如下：
τm＝rgearKmotorum
(3)定义液压系统状态变量为液压系统的控制量为u＝[u1,u2,um]，则将其离散为N时间段之后得到压系统状态动态模型：
xstate(k+1)＝H[xstate(k),u(k)]
其中，xstate(k)表示k时刻的液压系统状态，u(k)表示k时刻的液压系统的两个开关电磁阀控制命令，k∈[1,2,...,N]，N表示预测控制总时间步长；
(4)期望的液压系统状态为：
其中，δtarget(k)表示期望的液压系统的转向角度，期望的液压系统的转向角速度；
据此构建模型预测控制的目标函数：
(5)在当前时刻求解步骤(4)的目标函数得到下一时刻的控制量，并据此控制液压系统；
(6)重复步骤(5)，直至完成液压系统控制。
根据建立的混合动力驱动的液压系统状态动态模型求解得到k+1时刻的控制量序列u★以及状态序列结合期望目标位姿，计算得到电机的控制律如下：
其中，Kp表示PID控制器的比例调节系数，Kd表示PID控制器的微分调节系数，e表示被控量与给定值的偏差：
其中，δd表示期望的转向角度；
取u(1)作为k+1时刻的液压系统的两个开关电磁阀控制命令控制液压系统；
采集k+1时刻液压系统状态信息，更新液压系统约束方程，取k时刻的控制量序列代入目标函数中即可求解k+2时刻的控制量序列。
一种前述液压系统的控制方法在阿克曼底盘、机械臂或其他液压控制结构上的应用。
有益效果：
1、本发明具有通用性，通过收集数据并估计，对于液压系统的执行机构开关型电磁阀性能没有任何要求，因此具有一般性。
2、本发明可对现有液压系统上进行少量改造，针对液压系统构建液压系统动态模型，在控制中考虑了系统的特性，提升了位置跟踪的性能，获得性能的大幅升级。
3、本发明为弥补纯电机与纯液压驱动系统的不足之处，设计了一种液压-电的混合动力驱动的液压系统，并综合二者的系统动态特性得出的最优控制序列。
附图说明
图1为本发明的液压系统的原理简图。
图2为本发明的混合动力驱动系统的控制流程图。
图3为本发明的混合动力驱动系统的控制原理简图。
图4为本发明的混合动力驱动系统原理简图。
其中，1为入油管路，2为电磁阀，3为输油管路，4为压力传感器，5为液压缸，6为回油管路，7为齿条，8为齿轮，9为辅助电机。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例，进一步阐明本发明。
实施例一
图1为液压系统原理简图，如图1所示，本发明的入油管路1上安装有压力传感器4，以测量供给的压力；入油管路1分别与液压缸5内活塞两侧腔体连通的输油管路3连通，且在液压缸5内活塞两侧连接的输油管路3上均安装有电磁阀2进行控制；在液压缸5两侧的入口处安装有压力传感器4，以测量液压缸5两侧腔体内的压力，两电磁阀2出口均与回油管路6连通。
本发明的液压系统的控制方法如图2所示，包括如下步骤：
(1)构建液压系统控制模型；
根据图1可知，液压系统的动力来自于液压缸两侧腔体的压力差，因此可以获得下列方程：
其中，表示液压缸内两侧腔体的压力变化率，i∈{1,2}；表示电磁阀数学模型函数，Pi表示液压缸内一侧腔体的压力；Ps表示液压泵的出口压力；δ表示液压系统的转向角度；ui＝{0,1}表示液压系统的两个开关电磁阀控制命令，其中，0表示关，1表示开，或者反之表示；
通过上式描述液压系统的动态模型，给定输入信号、当前腔体内的压力、油泵压力、以及当前的开关状态之后，可唯一确定腔体压力的变化率；
设计实验，使得Ps,Pi,δ,ui在处于不同初始数值的时候，分别记录Pi的变化曲线；在获得数据之后，经过拟合，可近似得到电磁阀数学模型gi函数；
(2)构建液压系统动态模型；
液压系统的动力学描述如下：
其中，M表示液压系统的等效总质量；表示传动函数，将液压系统的转向角加速度转换为液压缸直线位置，表示液压系统的转向角加速度；P1、P2分别表示液压缸内两侧腔体的压力；Sp指的是液压缸内活塞的截面积；τf(δ)表示液压系统摩擦力模型函数，将液压系统的转向角度转换为摩擦力；表示液压系统的转向角速度；表示液压系统的负载模型函数，将液压系统的转向角速度转换为液压系统的负载；摩擦力模型函数和负载模型函数可由不同的方法获得，在一般情况下，可以假设摩擦力与负载均为常数；
由此得到液压系统的转向角加速度的动态特性：
其中，f-1()为传动函数，将液压缸直线位置转换为液压系统的转向角度；
由此得到液压系统的完整描述如下：
(3)定义液压系统状态变量为液压系统的控制量为u＝[u1,u2]，则将其离散为N时间段之后，可简记为：
xstate(k+1)＝H[xstate(k),u(k)]
其中，xstate(k)表示k时刻的液压系统状态，u(k)表示k时刻的液压系统的两个开关电磁阀控制命令，k∈[1,2,...,N]，N表示预测控制总时间步长；
液压系统的任务系统根据规划与控制要求(即液压系统的运动控制要求)计算得到其目标位姿，则期望的液压系统状态如下：
其中，δtarget(k)表示期望的液压系统的转向角度，期望的液压系统的转向角速度；
(4)构建模型预测控制的目标函数：
其中，第一项的目标是保障液压系统最终的稳定性，期望找到合适的控制量序列[u(1),u(2),...u(N)]使得最终的液压系统状态和期望的状态差最小，控制量序列中各时刻控制量的初始值均为0；QN是N时刻的液压系统的状态与期望状态之间偏差的权重矩阵，主要用于保障液压系统最终到位的稳定性；第二项的目标是保障液压系统跟踪过程的平稳性，并且所使用的控制量尽可能小，液压系统的状态需要尽量接近期望状态；对角矩阵Q，R分别表示液压系统状态轨迹权重矩阵和控制轨迹权重矩阵，根据需要调节其相对大小，可实现在两个目标之间权衡。另外，可以通过调整Q,R对角线上元素的相对大小，可调节不同液压系统状态和控制量的相对重要程度；
下面考虑约束项：
该规划与液压系统需要满足完整的液压系统动态约束以及相应的初值：
xstate(0)＝X0
xstate(k+1)＝H[xstate(k),u(k)]
分别表示液压系统状态的初始值xstate(0)需要赋值成当前液压系统的状态测量值X0，另外是液压系统的动态系统模型约束，表示在给定状态和输入后，下一个时刻的状态需要满足此方程约束；
考虑电磁阀控制量本身的约束，该约束表明电磁阀的控制量只能是开和关两种
ui＝{0,1}
则完整的约束如下：
xstate(0)＝X0
xstate(k+1)＝H[xstate(k),u(k)]
ui＝{0,1}
(5)在某个控制周期k时刻，液压系统的控制器求解步骤(4)的目标函数得到k+1时刻的控制量序列u＊＝[u(1),u(2),...u(N)]，则取u(1)作为k+1时刻的液压系统的两个开关电磁阀控制命令控制转向轮；
采集k+1时刻液压系统状态信息更新液压系统约束方程xstate(0)＝X0，取k时刻的控制量序列代入目标函数中即可求解k+2时刻液压系统的控制量序列；
(6)重复步骤(5)，规划液压系统可以完成液压系统全局路径跟踪控制任务。
实施例二
本发明还提供了一种混合动力驱动的液压系统的控制方法，如图4所示，在液压缸上方安装有辅助驱动组件，包括辅助电机9及齿条7，在与液压缸5平行位置安装有齿条7，齿条7与液压缸5内的活塞固连，辅助电机9的电机轴末端安装有与齿条7啮合配合的齿轮8，辅助电机9通过PID控制器控制，其他结构与前述方案一致；根据应用场景和实际需求，选择大小合适的辅助电机，其输出力矩经过减速齿轮放大之后为液压驱动系统产生最大力矩的大约10％～30％。主要作用是通过高动态性能的电机驱动系统补偿液压系统的大滞后动态特性，主要的驱动力矩输出依靠液压系统，高频小幅的扰动抑制和动态性能依靠电机补偿。
则前述步骤(2)中，构建液压系统动态模型如下：
液压缸将电机的旋转运动转换为平移运动：
τm＝rgearKmotorum
其中，rgear表示辅助电机减速机减速比与力臂之乘积；τm表示辅助电机经过减速机放大之后的输出力；Kmotor为辅助电机常数，表示电流转换为力矩的能力；um表示辅助电机的控制力矩；
则混合动力驱动的液压系统的动力学描述如下
此时，摩擦力模型如下
其中，τsf表示液压系统静摩擦力，τcf表示液压系统的库伦摩擦力，Cvf表示粘性摩擦力参数；
由此得到液压系统的转向角加速度的动态特性：
进而得到液压系统的完整描述如下：
τm＝rgearKmotorum
通过步骤(5)的模型求解得到控制量序列u★以及状态序列结合期望目标位姿，辅助电机的控制律如下：
其中，Kp表示PID控制器的比例调节系数，Kd表示PID控制器的微分调节系数，e表示被控量与给定值的偏差：
其中，δd表示期望的液压系统的转向角度。
后续步骤与实施例一的控制方法类似。
本发明的液压系统的控制方法可以应用至机械臂液压控制、阿克曼底盘液压控制或其他液压控制的结构中。
以上详细描述了本发明的优选实施方式，但是本发明并不限于上述实施方式中的具体细节，在本发明的技术构思范围内，可以对本发明的技术方案进行多种等同变换(如数量、形状、位置等)，这些等同变换均属于本发明的保护范围。
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