参数摄动对四足机器人液压驱动单元位置控制特性影响

高性能四足仿生机器人的设计要求驱动其关节运动的液压驱动单元具有良好的动态特性,但由于液压驱动单元工作参数摄动和其固有的复杂非线性,使得多数情况下液压驱动单元的控制性能受到制约.采用机理建模方法,针对四足机器人采用的一种对称阀控制对称缸的液压驱动单元结构,综合考虑控制器饱和特性、伺服阀压力-流量非线性、伺服缸活塞初始位置变化、库伦摩擦非线性等因素的影响,建立了液压驱动单元非线性数学模型,给出了其液压固有频率和阻尼比表达式;运用Matlab/Simulink软件系统搭建了其非线性仿真模型,在相同工况下,分析了不同控制器比例增益的液压驱动单元位移阶跃响应的仿真及试验结果,以验证仿真模型;并搭建了液压驱动单元性能测试试验台,通过仿真与试验分析,进一步研究了控制器比例增益、系统供油压力、液压驱动单元初始位移、负载力、负载质量、负载刚度对液压驱动单元动态特性的作用机理和影响规律.研究结果表明,建立的非线性数学模型准确、实用,且以上参数的改变均会对液压驱动单元位置控制特性产生不同程度的影响,其影响规律可为四足仿生机器人液压驱动单元控制器参数的在线优化奠定基础.     

液压驱动单元力控系统建模及其性能影响因素研究

以四足机器人关节驱动器 液压驱动单元为研究对象,依据液压驱动单元的结构组成原理,采用机理建模的方法,建立其力控系统数学模型,该模型包含了基于辨识得到的伺服阀三阶传递函数、伺服阀的压力 流量非线性环节、伺服缸两腔容积变化因素等。建立液压驱动单元力控系统框图,并利用MATLAB/Simulink平台建立其仿真模型,采用实验测试与仿真分析相结合的方法,研究不同工作参数和不同给定信号下的液压驱动单元力控性能。研究结果表明：比例增益、供油压力、力阶跃量及正弦频率等参数均会对液压驱动单元的力控性能产生影响,该研究工作对四足机器人各关节高性能的力控方法研究提供了理论和实验基础。     

Development of a novel two-dimensional(2D) three-way(3W) fuel flow control servo valve with constant pressure difference

To solve the problems of large volume, and low integration of traditional electro-hydraulic servo valve with constant pressure differential fuel metering device, a new two-dimensional three-way constant pressure differential fuel flow control servo valve (2D3WFFCSV) is developed. It innovatively adopts the advantages of lightweight of “two-dimensional hydraulic technology”, The constant differential pressure function and flow regulation function are integrated into a two-dimensional (2D) main spool with two degrees of freedom (rotational and axial degrees of freedom). The flow control process of 2D3WFFCSV is as follows: firstly, the armature of the torque motor and the two-dimensional piston are coaxially installed at the end of the two-dimensional piston, so the torque motor can directly drive the two-dimensional piston to rotate; secondly the “hydraulic servo screw mechanism”, which can amplify the power, is used to drive the two-dimensional piston to move in line; Finally, a pair of conversion mechanisms (roller group and spiral track conversion mechanism) are converted into the angular displacement of 2D main spool to control the area of flow valve port. The axial degree of freedom of 2D main spool realizes the function of constant differential pressure. To improve the flow control accuracy of the servo valve, the axial position of the 2D piston is detected by the linear displacement sensor (LVDT), and the signal is transmitted to the controller to realize the closed-loop control. To explore its open-loop characteristics, the mathematical models of torque motor, two-dimensional piston and main spool are established to obtain its open-loop transfer function. Then the AMESIM simulation model is built. To optimize the design of the system, through the dynamic simulation of the system, the influence of key parameters on the dynamic response of the system can be studied. An experimental study is carried out to verify the design feasibility of the servo valve. The experimental results show that under the condition of no-load and full-scale input, the closed-loop delay of the servo valve is 1.84%, the linearity is 2.14%, the step response time is 43 ms, and the dynamic frequency response is 38 Hz. The newly developed 2D3WFFCSV has the advantages of high integration, small size, light weight (801.5 g) and high response and control accuracy. It can replace the constant differential pressure, metering valve and hydraulic servo valve in the aeroengine fuel regulator.     

Parameters Sensitivity Characteristics of Highly Integrated Valve-Controlled Cylinder Force Control System

Nowadays, a highly integrated valve?controlled cylinder(HIVC) is applied to drive the joints of legged robots. Although the adoption of HIVC has resulted in high?performance robot control, the hydraulic force system still has problems, such as strong nonlinearity, and time?varying parameters. This makes HIVC force control very diffcult and complex. How to improve the control performance of the HIVC force control system and find the influence rule of the system parameters on the control performance is very significant. Firstly, the mathematical model of HIVC force control system is established. Then the mathematical expression for parameter sensitivity matrix is obtained by applying matrix sensitivity analysis(PSM). Then, aimed at the sinusoidal response under(three factors and three levels) working conditions, the simulation and the experiment are conducted. While the error between the simulation and experiment can't be avoided. Therefore, combined with the range analysis, the error in the two performance indexes of sinusoidal response under the whole working condition is analyzed. Besides, the sensitivity variation pattern for each system parameter under the whole working condition is figured out. Then the two sensitivity indexes for the three system parameters, which are supply pressure, proportional gain and initial displacement of piston, are proved experimentally. The proposed method significantly reveals the sensitivity characteristics of HIVC force control system, which can make the contribution to improve the control performance.     

基于液压活塞式惯容器的车辆悬架性能研究

阐述了液压活塞式惯容器的基本结构、工作原理与承载力大的特点，建立了考虑摩擦力、寄生阻尼力和油液弹性效应的惯容器非线性力学模型。在数控液压伺服激振台上对液压活塞式惯容器进行了力学性能试验，基于试验结果，利用Matlab参数辨识工具箱对非线性力学模型中的参数进行辨识。在此基础上建立了包含液压活塞式惯容器非线性因素的车辆惯容器 弹簧 阻尼器（inerter-spring-damper，简称ISD）悬架动力学模型并进行了仿真分析。结果表明，当考虑液压活塞式惯容器非线性因素时，车辆ISD悬架系统的车身加速度均方根值增加5%，而轮胎动载荷与悬架动行程均方根值均有所减小,降低了车辆的行驶平顺性。     

非对称轴向柱塞泵变排量控制特性分析

非对称轴向柱塞泵直接闭式控制单出杆液压缸系统具有结构紧凑、能效高和噪声低的优势,其排量控制特性直接影响泵控系统运行特性。基于此,提出基于斜盘摆角位移反馈的排量控制方案,根据电液比例排量调节工作原理,考虑弹性负载刚度及外负载力干扰的影响,建立了非对称轴向柱塞泵的变排量控制系统模型。通过MATLAB/Simulink仿真分析了不同活塞直径、负载刚度、斜盘摆角、负载压力对泵的出口流量动态特性的影响。仿真结果表明,减小液压缸活塞直径、增大负载刚度可以加快响应速度;增大负载压力可以提高响应稳定性。通过实验验证了仿真结果正确性,实验表明非对称泵的变排量工作性能稳定可靠。     

液压缸运动的非线性动态特征

根据非线性动力学的观点,通过理论分析和试验验证,研究非线性弹簧力和非线性摩擦力对液压缸动态特性的作用。得出三种不同节流调速回路工况下液体弹簧刚度随位移变化规律,发现不同工况各自呈现出软弹簧特性或硬弹簧特性。提出非线性弹簧力作用可以用有阻尼的Duffing方程描述,非线性摩擦力作用可以用Van Der Pol方程描述,非线性弹簧力和非线性摩擦力耦合作用可以用Lienard方程描述。指出液压缸低速爬行原因是在特定工况下软弹簧特性引起的“跳跃现象”和非线性摩擦力引起的自激振动共同作用的结果。方程的解在不同工作条件下具有不同的形态,说明液压缸非线性动态特性复杂多变。     

液压振动台非线性摩擦力测量与参数辨识

电液伺服振动试验系统低速和换向时的非线性摩擦力测量和补偿是提高运输环境试验和地震模拟试验等控制精度的重要途径。为了定量获取液压振动台的非线性摩擦力,基于Stribeck效应建立了改进的电液伺服振动试验系统非线性摩擦力理论模型,并结合液压振动台的力平衡方程建立了非线性摩擦力待辨识参数的目标函数。提出一种基于位移闭环控制的简便方法对不同速度下的液压振动台油缸压力差进行测量,得到振动台液压缸与活塞杆之间的摩擦力随速度变化的数值规律。采用基于拟随机序列的混合遗传算法对非线性摩擦力理论模型的4个参数进行了辨识。试验结果证明了本研究方法的可行性,为液压振动试验系统加速度波形失真补偿提供了一定参考。     

某试验机高频伺服液压缸设计与分析

以某试验机技术指标为基础,按其技术要求来设计高频伺服液压缸。通过建立高频缸系统AMESim模型,并进行仿真,分析了活塞组件的质量、活塞宽度、活塞与缸筒配合间隙、油液容积对高频伺服液压缸位移响应的影响,结论对高频伺服液压缸的设计具有一定的参考价值。     

船用高压共轨重油喷射伺服控制系统的动态特性研究

针对RT-flex系列二冲程低速柴油机配套燃油喷射系统存在的问题,基于液压伺服控制原理提出一种新型船用高压共轨燃油喷射伺服控制系统,该系统采用液压位置闭环系统控制高压重油喷射系统的动作。根据系统原理,研究了其数学模型,并在AEMSim软件中搭建了考虑两种流体特性的仿真模型。在给定喷射时间内得到了不同压力时的主阀芯位移曲线、喷射压力波动曲线和喷油率曲线,并计算出单次喷射时系统喷油量。仿真结果表明,在喷射时间内高压共轨重油喷射系统动作快速稳定,验证了船用高压共轨重油喷射伺服控制系统的设计是合理可行的。     

基于Simulink组合机床液压系统设计与仿真

为快速准确地设计液压系统,结合电液比例伺服阀,将流体控制系统分析方法引入液压系统设计中,确定系统方案,计算选择液压元件,设计完成后,建立传递函数模型,并使用MATLABT具Simulink对设计的液压系统进行了仿真分析,得出了液压缸活塞工作过程中各参数变量（位移、速度）随时间的变化曲线。并对曲线进行了分析,进而对系统设计提出合理的改进方案。     

直驱泵控电液位置伺服系统模糊PID控制仿真与实验研究

直驱泵控系统由于控制精度高、响应快、功率损失小、结构紧凑等优点,逐渐被应用到工业控制领域。但直驱泵控系统存在严重饱和与死区、非线性、时变性、时滞性的特点。我们采用模糊PID控制方法进行直驱泵控系统的液压缸位置伺服控制。在AMESim/Simulink联合仿真平台上建立了系统模型与模糊PID控制算法,采用PID和模糊PID控制算法对系统阶跃响应和正弦跟踪性能进行了仿真研究,同时在自行开发的电液比例伺服控制实验台上对PID和模糊PID控制性能进行了实验研究。结果表明：自适应模糊PID控制能大大改善了PID控制的性能,具有响应速度快、上升时间短、无滞与超调小的特点。     

旋转直接驱动电液压力伺服阀的设计研究

旋转直接驱动电液压力伺服阀的显著特点是阀芯由有限转角力矩电机直接驱动,滑阀级输出负载压力。对该阀进行了原理分析、数学建模,并且根据数学模型进行了仿真分析,设计了控制器结构,分析了控制器中各参数对该阀性能的影响,对该阀的静态特性和动态特性进行了试验研究,试验结果与仿真结果基本一致,性能达到了目前国内其他形式压力伺服阀的水平,推动了国内力控制系统的发展。     

基于AMESim的双活塞组合液压缸系统仿真研究

以速度变换和负载自适应的双活塞组合液压缸为研究对象,根据液压缸的结构特点和工作原理进行了相关方程的推导并建立了数学模型。利用AMESim软件搭建了液压缸系统模型,由仿真得到双活塞组合液压缸运动过程中参数变化的动态曲线并分析得出相关结论。同时,研究了切断阀阀口直径、切断阀阀芯形状和三角槽对液压缸动态性能的影响,为双活塞组合液压缸系统的节能研究及设计应用提供了重要的理论支撑。     

液压缸低速运动的动态分析

通过理论分析和试验验证研究了液压缸运动的非线性动态特征。提出弹簧刚度随活塞位移变化和工作状态不同而呈现出软硬弹簧特性的非线性弹簧力特征，其作用效果可以用有阻尼的Duffing方程来近似描述；摩擦力随速度的变化遵循Streibeck曲线，其作用效果随工作点在曲线上所处区段而异，可以用van der Pol方程来近似描述。指出液压缸低速爬行是在特定工况下的“跳跃现象”、自激振动等多重作用的结果。     

负载口独立控制双联阀建模与特性分析

 为解除液压执行元件进出口之间的联动,提出了一种负载口独立控制双联阀,基于2个单元体阀芯错位组合,能实现负载口的独立控制。根据其工作原理,建立了阀控缸数学模型,进一步利用MATLAB/Simulink搭建了数值求解模型,对该阀在3种不同工况下的工作特性进行了分析。分析结果表明,通过对阀芯角位移和线性位移在工作行程零位及行程末端附近的联合控制,分别可实现微小流量稳定控制和大流量快速响应控制;阀芯角位移单独控制时,负载流量与之成正比,具有良好的线性流量增益效果;阀芯线性位移单独控制时,相同供油压力下能获得最大的负载流量和活塞位移。该阀具有较高的流量控制精度和灵活性,可为复杂工况下流量和压力的匹配补偿控制提供新思路。     

电驱高压气动减压阀动态特性仿真研究

设计了一种电驱高压气动减压阀,采用直流电机驱动活塞直动式减压阀,通过调节直流电机的转动角度来控制减压阀的出口压力。减压阀的调压性能受到直流电机控制电压、调压弹簧刚度以及活塞作用面积的影响。为此,建立电驱高压气动减压阀的数学模型,基于MATLAB/Simulink搭建电驱高压气动减压阀的仿真模型,分析直流电机控制电压、调压弹簧刚度以及活塞作用面积对其出口压力的影响,得出电驱高压气动减压阀合理的设计参数,最后对其进行阶跃响应与正弦响应仿真分析。结果表明,电驱高压气动减压阀具有良好的调压精度和动态特性,对同类型气动减压阀的结构设计和优化以及控制特性的改善具有一定的指导意义。     

大型卷板机回转电液系统的设计与优化

根据原大型卷板机回转机构工作原理,设计液压伺服马达驱动的回转液压系统替代原来的电机驱动系统,并利用AMESim仿真平台对该液压回转系统进行了系统建模和仿真研究。针对卷板机工作过程中,工作辊回转时可能遇到的工况对液压系统进行加载得到系统运行时液压马达的动态特性,并通过改变液压系统的相关参数,对液压系统进行优化,提高该卷板机的卷制精度和液压系统的稳定性。     

阀控缸负载模拟多余力抑制研究

针对伺服阀控缸作动器测试平台的物理模型,基于液压伺服方程建立了测试平台的数学模型,找出了电液作动器输出位移与负载模拟器输出力的耦合关联,并基于速度同步控制原理设计了多余力补偿环节。搭建了测试平台的AMESim与MATLAB/Simulink联合仿真模型和实验平台,进行了多余力抑制仿真和实验研究。结果表明:多余力补偿环节能够有效抑制多余力,提高负载模拟精度,测试平台数学模型、联合仿真模型准确度较高。     

基于MATLAB-AMESim的液压缸位置伺服系统辨识方法研究

基于传统液压缸伺服系统建模参数的复杂性、不确定性、以及系统的时变性等问题,提出了一种基于MATLAB-AMESim的液压缸位置伺服系统辨识方法。该文以组成足式机器人驱动单元的液压缸为研究对象,简单介绍了液压缸的组成结构及工作原理;其次建立液压缸控制系统模型、传递函数,阐述了液压缸伺服系统辨识方法原理和基本过程;最后,通过MATLAB-AMESim软件搭建单缸位置伺服系统进行系统辨识仿真,将仿真结果与实际液压缸位置伺服系统测试结果进行对比。实验表明基于MATLAB-AMESim的液压缸位置伺服系统辨识仿真具有良好的实用性,验证了系统模型辨识方法的有效性。