具有参数不确定和时变扰动的电液执行器高精度运动控制

doi:10.12068/j.issn.1005-3026.2024.10.009

东北大学学报（自然科学版） ›› 2024, Vol. 45 ›› Issue (10): 1435-1442.DOI: 10.12068/j.issn.1005-3026.2024.10.009

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具有参数不确定和时变扰动的电液执行器高精度运动控制

梁乾坤¹, 蔡衍²(), 宋锦春¹, 陈杰¹

^1.东北大学机械工程与自动化学院，辽宁沈阳 110819
^2.中国科学院沈阳自动化研究所机器人学国家重点实验室，辽宁沈阳 110016

收稿日期:2023-05-22 出版日期:2024-10-31 发布日期:2024-12-31
通讯作者: 蔡衍
作者简介:梁乾坤（1994-），男，河南驻马店人，东北大学博士研究生
宋锦春（1957-），男，辽宁沈阳人，东北大学教授.
基金资助:
国家自然科学基金资助项目(52305055)

High-Precision Motion Control for Electro-Hydraulic Actuators with Parametric Uncertainty and Time-Varying Disturbance

Qian-kun LIANG¹, Yan CAI²(), Jin-chun SONG¹, Jie CHEN¹

^1.School of Mechanical Engineering & Automation，Northeastern University，Shenyang 110819，China
^2.State Key Laboratory of Robotics，Shenyang Institute of Automation，Chinese Academy of Sciences，Shenyang 110016，China.

Received:2023-05-22 Online:2024-10-31 Published:2024-12-31
Contact: Yan CAI
About author:CAI Yan，E-mail：yancai.neu@hotmail.com

摘要/Abstract

摘要：

针对具有参数不确定性、不匹配和匹配的时变扰动的电液执行器（electro?hydraulic actuator，EHA）系统，提出了一种渐近跟踪控制策略.首先，构造了一个扩展状态观测器（extended state observer，ESO）获得对不匹配时变扰动的精确估计及补偿；该ESO通过在经典ESO中引入鲁棒自适应项，得到了渐近估计结果，降低了鲁棒增益选择的保守性.然后，设计一个鲁棒自适应项来估计匹配扰动的上界，以消除匹配时变扰动的影响.此外，自适应律用于估计参数不确定性.通过李雅普诺夫稳定性理论证明了跟踪误差能渐近收敛至零.最后，通过仿真和实验验证了所提控制策略的有效性.

关键词: 电液执行器, 扩展状态观测器, 时变扰动, 参数不确定, 渐近稳定

Abstract:

An asymptotic tracking control strategy is proposed for electro?hydraulic actuator （EHA） systems with parametric uncertainty， mismatched and matched time?varying disturbance. Firstly， an extended state observer （ESO） is constructed to estimate and compensate for the mismatched time?varying disturbance accurately. By introducing the robust adaptive term into the classical ESO， the asymptotic estimation result is obtained， and the conservatism of robust gain selection is reduced. Then， a robust adaptive term is designed to estimate the upper bound of the matched disturbance to eliminate the effect of the matched time-varying disturbance. In addition， adaptive laws are used to estimate the parametric uncertainty. Through the Lyapunov stability theory， it is proved that the tracking error can asymptotically converge to zero. Finally， the effectiveness of the proposed control strategy is verified by simulation and experiment.

Key words: electro?hydraulic actuator （EHA）, extended state observer （ESO）, time?varying disturbance, parametric uncertainty, asymptotic stability

中图分类号:

TH 137

梁乾坤, 蔡衍, 宋锦春, 陈杰. 具有参数不确定和时变扰动的电液执行器高精度运动控制[J]. 东北大学学报（自然科学版）, 2024, 45(10): 1435-1442.

Qian-kun LIANG, Yan CAI, Jin-chun SONG, Jie CHEN. High-Precision Motion Control for Electro-Hydraulic Actuators with Parametric Uncertainty and Time-Varying Disturbance[J]. Journal of Northeastern University(Natural Science), 2024, 45(10): 1435-1442.

图/表 10

图1 EHA系统的原理图

Fig.1 Schematic diagram of the EHA system

图2 EHA系统的控制原理图

Fig.2 Control schematic diagram of the EHA system

图3 EHA系统的实验平台

Fig.3 EHA system experimental platform

表1 实验I中性能指标

Table 1 Performance indices in experiment I

控制器	性能指标/mm
控制器	$M e$	$μ e$	$σ e$
AESOBC	0.535 7	0.102 7	0.081 73
CESOBC	0.638 8	0.135 6	0.121 6

表1 实验I中性能指标

Table 1 Performance indices in experiment I

控制器	性能指标/mm
控制器	$M e$	$μ e$	$σ e$
AESOBC	0.535 7	0.102 7	0.081 73
CESOBC	0.638 8	0.135 6	0.121 6

图4 实验I中两种控制器的速度估计误差和不匹配扰动估计结果（a）—速度估计误差x?2；（b）—不匹配扰动估计x^e.

Fig.4 Velocity estimation error and mismatched disturbance estimation results of two controllers in experiment I

图5 实验I的控制结果（a）—位置跟踪；（b）—位置跟踪误差；（c）—控制输入电压.

Fig.5 Control results in experiment I

图6 实验I中AESOBC控制器的参数估计

Fig.6 Parameter estimation of the AESOBC controller in the experiment I

图7 带有外部负载的EHA 系统

Fig.7 EHA system with external load

表2 实验II中性能指标

Table 2 Performance indices in experiment II

控制器	性能指标/mm
控制器	$M e$	$μ e$	$σ e$
AESOBC	0.603 9	0.108 4	0.086 62
CESOBC	0.654 7	0.210 1	0.136 3

表2 实验II中性能指标

Table 2 Performance indices in experiment II

控制器	性能指标/mm
控制器	$M e$	$μ e$	$σ e$
AESOBC	0.603 9	0.108 4	0.086 62
CESOBC	0.654 7	0.210 1	0.136 3

图8 实验II中的跟踪结果（a）—位置跟踪；（b）—位置跟踪误差.

Fig.8 Tracking results in experiment II

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