具有输入非线性与物理约束的多自由度液压重载机械臂关键伺服控制方法研究

Nonlinearity (especially the input nonlinearity) and model uncertainty are the obstacles of the performance improvement of the joint space motion control of multi-DOF hydraulic heavy-duty manipulator. Physical constraint (control input saturation, etc.) and measurement noise are the key factors hindering the engineering application of the existing nonlinear control methods. This proposal takes the servovalve-controlled multi-DOF hydraulic heavy-duty manipulator as the research project, and explores more comprehensive, meticulous and practical high performance nonlinear control methods by integrating the techniques of parameter adaptation, nonlinear robust control, state and disturbance observation, to solve the control problems of the actual engineering characteristics including measurement noise, input nonlinearities (valve dead-zone, valve dynamics, etc.) and physical constraints, meanwhile considering other inherent nonlinearities and model uncertainties. The research contents mainly include the nonlinear dynamic model which can fully describe the dynamic behavior of the system, low-noise-sensitive control method, control methods with input nonlinearities active compensation, nonlinear control methods considering the requirement of physical constraints, and system simulation and experimental research. This proposal is to further deepen and develop the model-based nonlinear control theories and techniques of multi-DOF hydraulic heavy-duty manipulator, to enhance the practicability while improving the control performance and then to promote the engineering development and practical application of high-end hydraulic heavy-duty manipulator.

非线性（尤其是输入非线性）与模型不确定性是限制多自由度液压重载机械臂关节空间运动控制性能提升的瓶颈问题。控制输入饱和等物理约束及测量噪声是阻碍现有非线性控制方法工程应用的关键因素。本项目以伺服阀控多自由度液压重载机械臂为研究对象，拟针对测量噪声、输入非线性（阀死区、阀芯动态等）及物理约束等实际工程特性，兼顾系统固有的其他非线性及模型不确定性等普适性问题，融合参数自适应、非线性鲁棒、状态及干扰观测等方法，探索考虑更为全面、细致且贴近工程实际的高性能非线性控制方法。研究内容主要包括可充分描述系统动态行为的非线性动力学模型、低噪声敏感度控制方法、具有输入非线性主动补偿的控制方法、考虑物理约束需求的非线性控制方法以及系统仿真和实验研究。本项目是对基于模型的多自由度液压重载机械臂非线性控制理论与技术的进一步深化和发展，在提升控制性能的同时增强其实用性，从而推动高端液压重载机械臂的工程研制和实际应用。

本项目以多自由度液压重载机械臂为研究对象，针对模型不确定性、测量噪声、输入非线性（阀芯动态、死区）、物理约束（输入饱和与状态约束）等工程实际问题，开展了高性能非线性控制方法研究。针对模型不确定性的问题，提出基于神经网络的自适应抗扰控制策略，获得优异的渐近跟踪控制性能；考虑速度测量噪声的影响，提出了基于扩张状态观测器的低噪声敏感度自适应抗扰控制器设计方法，可同时处理系统参数不确定性与时变干扰，避免了速度测量噪声的影响，有效提升了控制性能；为补偿阀芯动态效应的同时避免高阶阀动态带来的基于反步设计时的微分爆炸问题，提出阀芯动态时滞模型及有效的时滞补偿输出反馈控制策略，有效补偿了阀芯动态的影响；构造了光滑的死区逆模型，并提出具有阀死区主动补偿的非线性鲁棒自适应控制方法，有效补偿了阀的死区效应；针对电液伺服系统控制中存在输入饱和的问题，提出了考虑输入饱和的非线性控制算法，可较好地抑制输入饱和对控制性能的影响；针对多自由度液压机械臂性能约束问题，设计了自适应神经网络积分鲁棒控制器，同时保证确定的瞬态性能和优异的渐近跟踪稳态性能。本项目的主要通过对多自由度液压重载机械臂非线性控制策略的研究，深入探索此方面新的设计理念以及相应的理论工具和研究方法，以求在关键技术上有所突破和创新，推动多自由度液压重载机械臂的控制理论发展、高端多自由度液压重载机械臂的工程研制和实际应用。