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电液伺服遥操纵机器人主-从位置控制器

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针对电液伺服遥操纵机器人主-从双向伺服位置控制中存在的非线性和不确定性,提出主-从侧分别使用带干扰观测器的最优控制和有鲁棒补偿的PD反馈控制算法,以克服主动侧各液压缸因动态特性差异造成的位置跟随误差和从动侧外界环境的随机干扰对系统稳定性的影响.分别设计了观测器跟踪扰动的二次型控制器和有动态鲁棒补偿的位置控制器,通过仿真和试验验证了所设计控制器的有效性.试验结果表明,所设计的位置控制器,既提高了主-从位置跟随精度,又具有较强的自适应性和鲁棒性;提高了力反馈电液伺服遥操纵机器人系统的操作性.

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20 0

9年6月

农业机械学报

第40卷第6期

电液伺服遥操纵机器人主一从位置控制器*

巩明德赵丁选冯汝扬

(吉林大学机械科学与工程学院，长春130025)

【摘要】

针对电液伺服遥操纵机器人主一从双向伺服位置控制中存在的非线性和不确定性。提出主一从侧分别

使用带干扰观测器的最优控制和有鲁棒补偿的PD反馈控制算法，以克服主动侧各液压缸因动态特性差异造成的

位置跟随误差和从动侧外界环境的随机干扰对系统稳定性的影响。分别设计了观测器跟踪扰动的二次型控制器

和有动态鲁棒补偿的位置控制器，通过仿真和试验验证了所设计控制器的有效性。试验结果表明，所设计的位置

控制器。既提高了主一从位置跟随精度．又具有较强的自适应性和鲁棒性；提高了力反馈电液伺服遥操纵机器人系

统的操作性。

关键词：电液伺服双向伺服控制

位置控制器状态观测器鲁棒控制

中图分类号：TP242 文献标识码：A

Master-slave Position Controller of

Servo Telerobot

Electron-hydraulic

Zhao

Gong Mingde

Dingxuan Feng Ruyang

Mechanical Science and

(College of

Engineering，Jilin University，Omngchun 130025。China)

Abstract

To eliminate the errors of

of master side and the influence of

positions

cylinders’dynamic

output

random disturbance of slave side，disturbance state observer

control and robust

optimal

for

master—slave side．which is

dynamic

PD feedback control

compensate

nonlinearity

at the

aiming

algorithm w弱presented

and

of master-slave

control in the

servo telerobot．

controller were

uncertainty

position

electro-hydraulic

linear

quadratic

with disturbance observer and

robust

compensator position

dynamic

and

results were

to demonstrate the

controllers both

of the

developed．Simulation

proposed algorithm．Theexperimental

for master-slave side and

experimental

given

availability

results show that the

position

designed

improve

and robustness in existence

tracking precision

of side

possess

good adaptive ability

out

disturbance，enhances the

servo telerobot with force feedback．

electro-hydraulic

operation

words

servo

control，Position controller，State observer，

Key

servo，Bilateral

Electro．hydraulic

Robust contro】

未知或变化环境下的精确操作任务【1-4]。

引言

液压伺服驱动的遥操纵机器人运动机构是一个

时变非线性、各关节之间互相耦合的系统。其主一从

侧驱动器均采用单出杆非对称液压缸。其伺服阀阀

口流量呈非线性，液压缸两腔面积不对称，也呈非线

性，对系统产生很大影响[s-63。另外，由于环境的

不确定性，使得被操作控制对象具有不确定性和严

重的非线性。而力反馈遥操纵机器人要求很高的实

以主一从机器人为核心的临场感遥操作系统可

以在人难以接近或对人有害的环境下进行复杂操纵

作业。遥操纵机器人的临场感可通过力觉、视觉、听

觉等多种感觉信息实现。对未知或变化的操作任务

和环境，机器人位置信息有着十分重要的作用，操作

者只有得到精确的位置信息，才能操纵机器人完成

收稿日期：2008—06—17修回日期：2008—07—17

*国家自然科学基金资助项目(50475011)

作者简介：巩明德，副教授。博士。主要从事遥操纵机器人技术研究，E．mail：gmd@jlu．edu．cn

万方数据

2 00 9焦

农业机械学报

时性和对力、位置变化的跟踪能力，所以传统的控制

方法难以满足高性能控制指标的要求[7-8]。

先将d引入状态变量，可得系统增广矩阵的状态方

程和输出方程分别为

本文提出主一从侧分别使用带干扰观测器的最

优控制和有鲁棒补偿的PD反馈控制算法，以克服

主动侧各液压缸因动态特性差异造成的位置跟随误

差和从动侧外界环境的随机干扰对系统稳定性的影

响。设计既满足系统精确位置控制需要，又能提高

系统对非线性和不确定性适应能力的控制器。

．J

x；ct，=[

x箩’]

=A；[xa‘，幻]+曰iu；=

[名。吉E。]+[廿(i=1--6川

c2，

l，=ci[x三‘’]=cc。。，[x三‘’]

1状态观测器跟踪法仿真

式中 f——液压缸序号

观测器需要另建一个状态口，d一维观测器方

程为

本文研究的主一从动侧遥操纵系统是由吉林大

学工程机器人实验室自行研制的基于6一DOF

Stewart并联机构平台系统，主动侧操纵手柄如图1

所示。由操纵者操作该主动侧操纵手柄控制从动侧

机构完全相同、但尺寸不同的同构液压伺服并联机

构运动。因主一从动侧液压平台各液压缸摩擦力的

不同、控制硬件(比如控制阀及电子元件)的差异及

油温变化的影响，会导致液压缸在相同输入时的响

应有所不同，操作后产生的位移可能与期望的位移

产生差异，从而影响主一从位置跟随控制精度。

_fg_Dg+Fxf+E阢

＼

(Lj3，)

I口2 TXi

式(3)中各矩阵系数满足

fTA￡一DT—F=0

(4)

E：TBi

式中 D、E、F、T——矩阵系数

为简化d观测器结构，取F=[1

0]，将

T=[tl t2 t3 t4]代入式(4)，取D=一860，解得各分

1，

量系数t1=一0．001 2，t2=1．610 3，t3=0．003

_{t4=一2．011}4及E=1_729．9。

因口=TXi=tlXl+t2X2+t3X3+t4d，则

d=÷ (q—t1X1一t2X2一t3X3)

将F=[1

d]代入式(3)，得

0】，Xi=[xl x2X3

口=Dq+X1+X2+X3+EUi

建立Simulink仿真结构如图2所示。仿真时

取6种不同的干扰信号，表示各液压缸的差异。操

纵手柄的6个液压缸在使用干扰观测器前的响应如

图3所示，使用干扰观测器后的响应如图4所示。

可见，状态观测器跟踪法消除了操纵手柄6个通道

液压缸响应的差异。

图1主动侧6自由度遥操纵手柄

Six DOF

master side

manipulator

Fig．1

tele-operation

设x为活塞位移，取状态变量Xl=X，X2=

文，x3=叉，则液压缸状态空间方程[9】

l+l

056／X，l

一

440

t555 560]A

=[|0—01一。1][Xx2；]+『．。0444

弘

●

0 O

叫

rL，)-

，fⅥ主

式

申

袱啦制量即阪Ⅸ

Ⅸ

动

渤

门叫Jl侧手柄位移

一

将上述方程表示为x(t)=Aox(t)+BoU(t)，

Y(t)=Cox(t)。式中Ao为系统矩阵，Bo为输入

矩阵，Co为输出矩阵。设干扰信号d由观测器跟

踪测得，其观测信号为d。设计d一维观测器，首

图2观测器跟踪扰动二次型控制系统的Simulink结构

Simulink

structure of

control

Fig．2

quadratic

with

disturbance observer

万方数据

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