一种兼顾独立计量系统下大型液压机械臂位置安全的压力反馈振动抑制方法

《Applied Mathematical Modelling》：A Pressure Feedback Vibration Suppression Method Considering Position Safety of Large-Scale Hydraulic Manipulator with Independent Metering System

　　•提出了一种兼顾位置安全的压力反馈振动控制方法。•建立了压力与位置之间的线性关系。•通过设计的结构将机械臂位置限制在安全范围内。•提出了一种基于RBFNN-ESO的ADRC算法，以提升压力控制性能。

引言
如图1所示，大型液压机械臂已被广泛应用于建筑设备和工业工具中[[1], [2], [3]]。尽管液压机械臂具有高度集成化的结构以及较高的功率密度优势，但其低阻尼特性仍是困扰液压系统的一个难题。同时，那些惯性较大的大型机械臂在受到外部干扰时往往需要保持固定姿态工作，而这很容易引发振动。振动会降低定位精度，降低工作效率，还会增加操作人员的疲劳感与不适感。典型的应用场景包括起重机在指定位置进行吊装作业、消防车在固定地点执行喷水任务，以及混凝土泵在目标位置输送混凝土。为确保操作的稳定性与安全性，这类固定姿态下的作业通常需要同时实现位置保持与振动抑制两大目标。

大型液压机械臂的核心研究领域包括柔性动力学建模[4]、轨迹跟踪控制[[5], [6]]以及弹性振动抑制[[7], [8], [9]]。先进的振动抑制控制是推动液压机械臂技术发展的重要基础。目前用于液压机械臂的振动抑制方法可分为被动式与主动式两类。传统的被动式方法，如阻尼孔装置和蓄能器，是通过电阻或电容效应来抑制振动的[10]。虽然被动式振动抑制方法通常效果较好，但它会导致额外的能量损耗，且对不同工况的适应能力有限。在过去的几十年里，液压建筑机械中的振动抑制主要依靠能够反映系统振动状态的主动反馈信号来实现，比如加速度和压力信号。与加速度反馈相比，由于压力传感器成本较低且可靠性较高，因此在液压建筑机械的振动抑制控制中更被广泛采用[11]。关于压力反馈方法的研究大多集中在通过优化控制参数来提升振动抑制效果上。考虑到模型存在的不确定性以及参数会随时间变化，有研究提出了一种采用极值搜索算法并配合开环控制的自适应压力反馈振动抑制控制器[12]。也有研究探讨了在不考虑位置控制的情况下仅利用压力反馈来抑制振动[13]，此外还有人探索了结合速度控制的压力反馈方法以实现更有效的振动抑制[14]。为了确定合适的压力控制参数，Pedersen和Andersen通过根轨迹法对压力反馈进行了分析，以此提升振动抑制效果[15]；Zong则提出了一种基于高阶ADRC的压力反馈方法，用以增强振动抑制能力[16]。然而，现有的压力反馈方法往往过度侧重于振动抑制，而忽视了安全姿态的保持。压力反馈通常需要与位置控制相互配合，这就使得大型液压机械臂的位置安全性完全取决于位置控制算法的有效性与鲁棒性。振动抑制后如果机械臂位置出现偏差，就会对施工安全构成威胁。此外，若同时设计振动抑制控制器与位置控制器，两个控制回路之间可能会产生相互干扰，进而影响振动抑制的效果。

为解决这些问题，本文提出了一种基于独立计量系统的、兼顾位置安全的压力反馈振动抑制方法，该方法能够同时实现振动抑制与位置保持功能。通过该独立计量系统设计出一种新型的压力反馈振动抑制结构：当大型液压机械臂处于固定姿态工作时，承载腔会由独立的计量阀密封，只有非承载腔内的流体可以发生流动。非承载腔的独立计量阀可以通过控制承载腔内的压力来实现振动抑制。通过密封承载腔，就能建立承载腔压力与液压缸位置之间的线性关联，因此仅通过压力反馈控制即可同时实现振动抑制与位置保持，无需在液压缸或关节上安装位置传感器来进行位置控制。同时，在基于算法的控制过程中，液压缸的位移会被限制在安全范围内。此外，本文还设计了一种改进型的ADRC算法，以便在所提出的结构下进一步提升压力反馈振动抑制的效果。ADRC是一种鲁棒的控制方法，能够通过实时估计与补偿有效应对系统中的不确定性因素及干扰[[17], [18], [19], [20]]，它已被广泛应用于液压系统的振动抑制控制中[[21], [22]]。不过，ADRC控制器也存在一定的局限性：在初始观测阶段，传统的ESO可能会出现较大的估计误差[23]。而RBFNN具备很高的估计精度，能够逼近任意连续函数，因此也被广泛应用于液压系统中[[24], [25]]。为此，本文引入了自适应RBFNN，用于估计系统内部和外部的一切干扰，从而提升ESO的适应性。最终提出了一种基于RBFNN-ESO的ADRC算法，用于控制承载腔的压力。本文的主要贡献可归纳为以下几点：1）提出了一种兼顾位置安全的压力反馈振动控制方法，该方法无需进行位置控制，即可同时实现振动抑制与安全位置保持，还能将液压缸的位移限制在安全范围内；2）提出了一种基于RBFNN-ESO的改进型ADRC算法，该算法能够减少初始超调量，提升传统观测器的适应性，显著提高了压力反馈算法的振动抑制效果，这一效果已通过仿真与实验得到验证。

本文的结构如下：第2节介绍所提出的压力反馈振动抑制结构及其数学建模；第3节阐述基于该结构的改进型ADRC算法，并在第4节通过实验对其性能进行验证；最后在第5节给出结论。

结构片段
压力反馈振动抑制结构
本研究中所分析的大型液压机械臂是以混凝土泵设备为基础的，如图2所示。混凝土泵设备是建筑施工领域的典型应用实例。该设备由三个关节组成，混凝土通过安装在大型液压机械臂上的管道输送到指定的目标位置。每个关节都由一个液压缸驱动，而这些液压缸通常由相应的控制系统来控制。

改进型的主动扰动抑制控制器设计
传统的ADRC框架主要由三个部分构成：跟踪微分器（TD）、扩展状态观测器（ESO）以及状态误差控制律（SECL）[26]。跟踪微分器的作用是快速跟踪参考输入信号，并生成所需的导数估计值。扩展状态观测器则负责估计系统的内部状态变量以及包含内部模型不确定性及外部干扰信息的扩展状态。

观测器仿真验证
通过与传统ESO的仿真对比，验证了所提出的RBFNN-ESO在状态估计方面的有效性。本次测试选用了三阶系统作为试验对象，其状态方程为：{x˙test,1=xtest,2x˙test,2=xtest,3x˙test,3=sinxtest,1?xtest,2+2utest}，其中utest＝sin(4t)＋cos(18t)。RBFNN-ESO与传统ESO的参数分别列于表1中。为确保比较的公平性，两种观测器的参数选择均基于它们各自的最佳性能指标。

结论
本文提出了一种基于新型结构、兼顾位置安全的压力反馈振动抑制方法。该结构无需进行位置控制，即可实现振动抑制与安全位置保持的功能。在算法运行过程中，液压缸的位移会被限制在安全范围内。完成振动抑制后，大型液压机械臂仍能保持原有的位置。

作者贡献说明
Ruiheng Jia：论文撰写——审阅与编辑、论文撰写——初稿撰写、可视化处理、验证工作、方法论研究、实验研究、数据整理、概念构建。Weidi Huang：论文撰写——审阅与编辑、资源获取、方法论研究、形式化分析、数据整理。Huaizhi Zong：论文撰写——审阅与编辑、资源获取、实验研究、形式化分析、数据整理。Chao Zhang：论文撰写——审阅与编辑、资源获取、实验研究、资金筹集、概念构建。Junhui Zhang：论文撰写——审阅与编辑。Ruiheng Jia|Weidi Huang|Huaizhi Zong|Chao Zhang|Junhui Zhang|Bing Xu