輸入指令整形技術在電液伺服系統中的應用*

邵俊鵬，魏學帥，孫桂濤，邵 璇

（哈爾濱理工大學 機械動力工程學院，哈爾濱 150080）

輸入指令整形技術在電液伺服系統中的應用*

邵俊鵬，魏學帥，孫桂濤，邵 璇

（哈爾濱理工大學 機械動力工程學院，哈爾濱 150080）

針對液壓四足機器人電液伺服位置控制存在的振動問題，分析電液伺服系統特性，根據振動控制技術提出輸入指令整形控制策略，研究輸入整形技術在抑制機械諧振方面的作用，為該技術在液壓四足機器人上的應用提供理論和現實依據.通過分析輸入整形減振技術及其工作原理，設計零震蕩整形器，并利用AMESim和MATLAB對電液伺服系統進行位置控制聯合仿真.結果表明，輸入整形技術能夠抑制電液位置伺服系統中產生的機械諧振，利用電液伺服系統綜合實驗臺驗證了該控制技術的有效性.

液壓四足機器人；輸入指令整形技術；電液伺服系統；振動控制；機械諧振；聯合仿真；AMESim仿真；MATLAB仿真

液壓四足機器人腿部關節的驅動力由液壓缸提供，控制器對機器人的步態和運動精度進行設計規劃，控制液壓缸的輸出位移或力的大小，實現機器人的行走跳躍步態［1－2］，是典型的電液伺服系統.該系統是一種非線性時變系統，在系統動作時，閥控缸的非線性結件和負載機械結構的彈性會產生振動，影響系統的動態特性［3］.隨著機器人研究的深入發展，運動精度的要求不斷提高［4］，使得抑制機器人在控制過程中產生殘留振動成為研究重點之一.本文采用振動控制技術中的主動控制［5］，根據結構的響應信息，通過控制器調整作動器的輸出來實現減振.對機器人足端位置進行控制，抑制振動的產生，也就是對電液位置伺服系統的控制.在機器人足端騰空階段，需要保證在不引起振動的情況下，足端實現重新定位.由于電液伺服系統的非線性和機械結構振動，僅運用簡單的PID控制很難保證機器人位置的控制精度［6］，所以本文通過輸入指令整形技術抑制足端運動時的機械諧振，提高運動精度.

1 輸入指令整形技術

輸入指令整形技術是一種對輸入信號進行整形處理以達到抑制振動目的的控制方法，由于應用簡單而有效，被廣泛地用于抑制柔性系統的振動，在航天器、柔性梁和起重機位置控制上的應用取得了非常好的效果［7－8］.輸入整形技術是一種前饋控制方法，難以對系統的位置進行精確控制，所以將輸入指令整形技術與閉環控制相結合進行位置控制，這種方法被稱為閉環信號整形技術（CLSS，closed loop signal shaping）［9］，本文主要介紹閉環輸入指令整形技術在電液位置伺服系統中的應用.

1.1 輸入指令整形技術的工作原理

輸入整形信號由一系列脈沖信號組成，根據系統要求設計脈沖，實現不同幅值和時滯，然后與系統輸入信號進行卷積，用合成以后的信號進行系統控制［10－11］.輸入整形技術與閉環控制結合的控制方式結構圖如圖1所示.

圖1 組合控制方式結構圖Fig.1 Structure diagram for combined control mode

輸入整形技術的工作原理：在某一時刻給系統輸入一個幅值為A1的脈沖信號，系統產生相應的脈沖響應；在上一脈沖響應的半個周期處，再給系統輸入一個幅值為A2的脈沖信號，系統產生另一個相應的脈沖響應，這兩個脈沖響應方向相反，但幅值大小是相同的，相互疊加抵消達到抑制振動的效果［12］，具體原理如圖2所示.

圖2 輸入整形器整形原理圖Fig.2 Shaping principle of input shaper

1.2 輸入指令整形器的設計

脈沖信號的表達式為

式中：A為脈沖幅值；t為時間.

輸入整形器是由一系列不同幅值和時滯的脈沖信號組成的，那么可以得到輸入整形器的脈沖表達式為

式中：n為輸入整形器中的脈沖個數；Ai為脈沖i的幅值；ti為脈沖i的時滯.

對式（2）用拉氏變換的延時定理進行轉換，得到輸入整形器的傳遞函數為

任何一個線性系統都可以近似為二階系統，典型的二階系統傳遞函數形式為

式中：ωn為二階系統的無阻尼固有頻率；ξ為二階系統的阻尼比.其單位脈沖響應為為.

根據輸入整形器的整形原理，以兩個輸入脈沖為例進行輸入整形器的設計，疊加算法表示為

式中：

以此類推，得到多輸入脈沖的響應為

進行零震蕩整形器（zero vibration shaper，ZV）的設計需要設定一定的限制條件，即

解得

2 實驗研究

2.1 仿真分析

利用計算機軟件搭建系統模型來分析控制器的作用效果.圖3為電液位置伺服控制系統圖，主要由液壓缸、電液伺服閥、位移傳感器、油源等組成.油源是整個系統的動力提供源，向系統輸出具有一定壓力的液壓油；控制器發出指令信號控制電液伺服閥動作，進而控制液壓缸的運動；液壓缸的運動通過位移傳感器反饋到控制器，控制器將采集到的信號與指令信號進行比較處理，實現系統的閉環位置控制.

2.1.1 聯合仿真

AME Sim是法國IMAGINE公司自1995年開始研發推出的一種新型高級建模和仿真軟件，該軟件能夠從元件設計出發，考慮油液、氣體和摩擦本身特性、環境因素等比較難以建模的部分，對組成部件和系統進行功能性仿真和優化，同時可以和其他優秀軟件（如MATLAB、ADAMS及LabVIEW等）進行聯合仿真［13－14］.

圖3 電液位置伺服系統Fig.3 Electro-hydraulic position servo system

本文利用AMESim和MATLAB對電液位置伺服系統進行聯合仿真，通過軟件搭建系統模型，設置模型參數，不需要計算系統的數學模型，而且模型參數便于修改.同時，根據理論計算設計的控制器可以進行仿真分析，觀察控制器的作用效果，從而對控制器進行修改優化，應用到實際系統中.

2.1.2 仿真模型的建立

在AMESim的草圖模式（sketch mode）下，利用應用庫目錄中的元件模塊，運用物理連接方式搭建電液位置伺服系統的仿真模型如圖4所示.在子模型模式（submodel mode）下，根據實際需要為每個元件選擇一個數學模型即子模型，為簡便起見，本文均采用最簡子模型（premier submodel）.在參數模型（parameter model）下設置每個子模型的參數：液壓缸的缸體內徑0.05m，活塞桿直徑0.035m，活塞的最大位移0.2 m，活塞的有效體積2×10－4m3，總流量壓力系數2.88× 10－5L／（min·MPa），負載折算質量25 kg，伺服閥額定流量30 L／min，額定供油壓力21 MPa，額定電流15mA，固有頻率50 Hz，阻尼比0.8，位移傳感器增益50，發動機轉速1 500 r／min，液壓泵排量40m L／r，轉速1 500 r／m in，溢流閥壓力5MPa.在MATLAB的Simulink模塊中建立系統模型如圖5所示，輸入為階躍信號［15］.

圖4 電液位置伺服系統 AM ESim模型Fig.4 AMESim model for electro-hydraulic position servo system

圖5 電液位置伺服系統Simulink模型Fig.5 Simulink model for electro-hydraulic position servo system

由上述參數得到固有頻率和阻尼比近似為ωn＝119.1 Hz，ε＝0.085，因此，可得到輸入指令

將上式應用到整形器中，分別在不考慮和考慮外界干擾（干擾選用正弦信號）的條件下進行聯合仿真，得到位移跟蹤曲線如圖6所示.曲線 1為指令信號，曲線2、3分別為單獨應用PID控制和加入ZV控制的位移跟蹤曲線.由圖6可以看出，僅用PID進行控制時系統有明顯的振動，加入整形器后消除了系統的機械諧振.

圖6 位移跟蹤曲線（仿真）Fig.6 Displacement tracking curves（simulation）

2.2 實驗驗證

利用實驗臺的電液位置伺服系統進行實驗，驗證輸入指令整形器在減少機械諧振方面的作用效果.圖7為電液伺服系統綜合實驗臺結構圖，圖7a為系統控制器，對指令信號和傳感器反饋信號進行處理，實現系統控制；圖7b為閥控缸系統，其主要組成部分為液壓缸、電液伺服閥、壓力傳感器、位移傳感器、力傳感器、負載以及死擋鐵等.

進行實驗得到位移跟蹤曲線如圖8所示，曲線1為指令信號，曲線2、3分別為單獨應用PID控制和加入ZV控制的位移變化曲線.由圖8可以看出，ZV整形器的加入消除了系統的機械諧振，驗證了整形器的有效性.

3 結 論

針對液壓驅動機器人足端位置控制中的振動問題，將輸入指令整形技術與閉環控制相結合進行電液位置伺服系統控制.采用閉環位置反饋系統結構簡單，易于控制，同時，將整形器設計在閉環系統內，有效地避免了外界干擾所引起的振動.整形器的實現只需要系統的固有頻率和阻尼比，不需要計算系統的具體模型，應用方便.通過對電液位置伺服控制系統的仿真分析和實驗驗證，證明了在 PID控制的閉環系統中加入ZV整形控制器可以在不影響系統性能和穩定性的前提下抑制機械諧振.

圖7 電液伺服系統綜合實驗臺Fig.7 Integrated experiment table of electro-hydraulic servo system

圖8 位移跟蹤曲線（實驗）Fig.8 Displacement tracking curves（experiment）

（

）：

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（責任編輯：景 勇 英文審校：尹淑英）

Application of input command shaping technique in electro-hydraulic servo system

SHAO Jun-peng，WEIXue-shuai，SUN Gui-tao，SHAO Xuan
（School of Mechanical and Power Engineering，Harbin University of Science and Technology，Harbin 150080，China）

In order to solve the vibration problem existing in the electro-hydraulic servo position control of hydraulic quadruped robot，the features of electro-hydraulic servo system were analyzed.In addition，according to the vibration control technology，the input command shaping control strategy was proposed，and the role of command shaping technique in suppressing the mechanical resonance was studied to provide both theoretical and practical basis for the application of this technique in hydraulic quadruped robot. Through analyzing the command shaping and vibration damping technique and its operating principle，the zero vibration shaper was designed.Moreover，both AME Sim and MAT LAB were used to carry out the coordinated simulation of position control for the electro-hydraulic servo system.The results show that the command shaping technique can suppress the mechanical resonance generated in the electro-hydraulic position servo system.Furthermore，the efficiency of the proposed control technique is verified on the integrated experiment table of electro-hydraulic servo system.

hydraulic quadruped robot；input command shaping technique；electro-hydraulic servo system；vibration control；mechanical resonance；coordinated simulation；AME Sim simulation；MAT LAB simulation

TH 137

A

1000－1646（2016）06－0640－05

10.7688／j.issn.1000－1646.2016.06.08

2016－01－14.

國家863計劃資助項目（2011AA0403837001）.

邵俊鵬（1957－），男，黑龍江哈爾濱人，教授，博士生導師，主要從事液壓傳動與控制等方面的研究.

09－07 16∶10在中國知網優先數字出版.

http：∥www.cnki.net／kcms／detail／21.1189.T. 20160907.1610.046.htm l