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CN114641620B - 用于控制气动致动装置的力的方法 - Google Patents

用于控制气动致动装置的力的方法 Download PDF

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CN114641620B CN202080076223.XA CN202080076223A CN114641620B CN 114641620 B CN114641620 B CN 114641620B CN 202080076223 A CN202080076223 A CN 202080076223A CN 114641620 B CN114641620 B CN 114641620B
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Abstract

一种致动装置(10)包括第一工作腔室(14)和第二工作腔室(16)，由加压空气源(18)分别通过第一压力调节器(20)和第二压力调节器(22)供应加压空气，用于基于控制信号调节工作腔室(14，16)内的空气压力。为了控制气动致动装置施加的致动力，该方法提供了实时地迭代执行以下步骤：a)通过基于致动装置(10)和压力调节器(20，22)的动态模型的优化算法，计算压力调节器(20，22)的控制信号的期望值(uc_d，uo_d)，以便通过致动装置(10)产生等于给定期望值(Fd)的致动力；以及b)，基于致动力测量值(Fm)和工作腔室(14，16)中的压力的测量值(Pc，Po)，通过状态观测器(32)确定致动力的估计值(Fest)，以及工作腔室(14，16)内的压力的估计值(Pc_est，Po_est)和压力的一阶导数的估计值

Description

用于控制气动致动装置的力的方法
技术领域
本发明涉及一种用于控制气动致动装置的力的方法，例如夹持装置(通常称为“夹持器”)。
背景技术
尽管本发明将在这里具体参考其在夹持装置(例如气动致动装置)上的应用进行描述和说明，但它同样适用于气动气缸。
气动致动装置已经使用了几十年。特别是在夹持装置中，与电动夹持装置相比，气动夹持装置具有一系列优点，具体是它们更便宜和更紧凑的事实，能够在很短的距离内施加大的力，以及它们在长时间被致动时不会受到过热的事实。
本发明提出了克服控制由气动致动装置施加的力的问题，或者在夹持装置中，由该装置产生的夹持力。控制由气动致动装置(例如夹持装置)施加的力绝不是微不足道的，因为由该装置施加的力取决于所述装置的工作腔室中的气压。因此，即使在今天，生产用于控制气动致动装置施加的力的闭环控制系统也远非易事。
一种用于控制施加到气动夹持装置上的力的系统已知自论文“Grasp forcecontrol in two finger grippers with pneumatic actuation”，Proceedings of ICRA2000，vol.2，页1976-1981，2000，作者：E.Ottaviano、M.Toti和M.Ceccarelli。这种已知的控制系统是基于使用比例积分控制器(PI)和力传感器来执行由装置施加的夹持力的反馈控制。
US8,301,307公开了一种用于控制由气动气缸施加的力的方法和系统，其基于由力传感器提供的力的大小执行反馈控制。
从US 5,448,146还已知一种用于控制由气动气缸施加的力的方法。在这种情况下，控制方法被设计为以恒定值调节气动气缸施加的力。
本发明的目的是相对于上述现有技术改进由气动致动装置施加的力的控制。
根据本发明，由于在所附独立权利要求1中限定的控制方法，完全实现了这个和其他目的。
根据本发明的方法的有利实施例形成从属权利要求的主题，其内容应理解为以下描述的组成部分。
发明内容
总而言之，本发明基于以下思想：使用致动系统的动态模型来控制装置施加的力，(其中，对于致动系统，这统称为致动装置和相关的气动控制电路，该气动控制回路包括加压空气供应和一对压力调节器，每一个都与致动装置的特定工作腔室相关联，以便调节该腔室内的空气压力)，以及优化算法，其被设计为计算提供给压力调节器的控制信号(例如电压信号)的优化值，以便控制由致动装置施加的力，其中，对该优化算法连续地供应致动装置的工作腔室中的压力的估计值(这些值由相应的压力调节器提供)，以及这些压力的导数的估计值，并且其中，上述压力和相对导数的估计值由状态观测器实时估计，该状态观测器一方面接收针对装置施加的力和装置的工作腔室中的压力而测量的输入值，另一方面接收通过优化算法计算的压力调节器的控制信号的值(因此是压力调节器必须施加的压力的期望值)。
由于该控制方法使用压力调节器的动态模型这一事实，因此可以优化控制在致动装置的工作腔室中由压力调节器施加的压力。具体地，使用动态模型控制致动装置，可以确保控制系统稳定，并对期望时间变量值提供有效的跟踪性能，以及对晶体管的有效管理。
此外，使用优化算法可以通过产生允许达到期望力的最小压力来最小化能量消耗，以及容易地管理对模型的限制(例如对压力值的限制)和也非常复杂的动力学。
当致动装置是夹持装置时，对致动装置的工作腔室中的压力的独立控制使得可以打开装置，即，当期望力为零时，使装置的手指彼此远离。
此外，由于该控制方法使用状态观测器来估计致动装置的工作腔室内的压力这一事实，因此可以估计压力的导数，而不需要对这些导数进行数值计算。
附图说明
本发明的其他特征和优点将从以下具体实施方式中变得清楚，参照附图，纯粹以非限制性示例的方式给出，其中：
图1是可以应用本发明的控制方法的气动致动系统的示意图；以及
图2是图1中气动致动系统的框图。
具体实施方式
首先参考图1，气动致动系统首先包括致动装置10(在本例中，其被设计为夹持装置，但如上所述，其可以被设计为致动气缸)，其具有至少一个致动构件12，用于产生输出致动力。致动装置10包括第一工作腔室14和第二工作腔室16，第一工作腔室14和第二工作腔室16可以被供应加压空气，以便用取决于工作腔室中的压力的给定致动力来控制致动构件12的移动。
在设计为夹持装置的致动装置10的特定情况下，该装置包括两个致动构件12，用作夹持指(因此，为了简单起见，从这里开始称为“夹持指”)，它们可以交替地朝向彼此移动以便用给定的力(从这里开始称为“夹持力”)紧固要被抓住的对象，或者远离彼此移动以便释放被抓住的对象。通过向第一工作腔室14供应加压空气，控制夹持指12彼此相对的运动，从而控制物体的夹持，而通过向第二工作腔室16供应加压空气，控制夹持指12彼此远离的运动，从而控制物体的释放。因此，在本说明书中，第一工作腔室14和第二工作腔室16也将分别表示为关闭腔室和打开腔室，并且相关变量(例如压力)将分别由下标“c”和下标“o”表示。因此，通过调节第一工作腔室14(关闭腔室)和第二工作腔室16(打开腔室)中的压力，可以打开/关闭致动装置10的夹持指12并改变夹持力。
气动致动系统还包括加压空气供应器(或空气压缩机)18和一对压力调节器20和22，每个调节器布置在加压空气供应器18和致动装置10的特定工作腔室14和16之间，具体地，第一压力调节器20布置在加压空气供应器18和第一工作腔室14之间，以便向该腔室供应给定可调节压力的加压空气；第二压力调节器22布置在加压空气供应器18和第二工作腔室16之间，以便向该腔室供应给定可调节压力的加压空气。每个压力调节器20和22接收输入控制信号，例如电压信号(但也可以是不同类型的信号，例如电流信号)，并且基于该控制信号，确定致动装置10的特定工作腔室(针对第一压力调节器20的第一工作腔室14和针对第二压力调节器22的第二工作腔室16)中的空气压力。
气动致动系统进一步包括电子控制单元24，该电子控制单元被设计成基于从相应的压力传感器26和26′接收的关于致动装置10的工作腔室14和16中的压力值的信息以及从力传感器28(例如负载单元)接收的关于由致动装置10施加的力(在本例中是由夹持指12产生的抓握力)的信息，来适当地控制压力调节器20和22，以便确保施加给定的致动力。
尽管在图1的示意图中，压力调节器20和22、压力传感器26、26′和电子控制单元24被示为相对于致动装置10的独立部件，但是提供上述部件在致动装置10内部的集成的实施例也应被理解为包括在本发明的范围内。
图2是致动系统的框图，示出了电子控制单元24包括控制器30和状态观测器32，并且控制器30是与实施优化算法的优化器相关联的闭环比例-积分-微分(PID)控制器。在这个图中：
Fd、Fm和Fest分别表示期望的致动力(夹持力)值、由力传感器28测量的致动力值和由状态观测器32估计的致动力值；
Pc、Po、Pc_est和Po_est分别表示由压力传感器26测量的第一工作腔室14内的压力值、由压力传感器26′测量的第二工作腔室16内的压力值、由状态观测器32估计的第一工作腔室14内的压力值和由状态观测器32估计的第二工作腔室16内的压力值；以及
uc_d和uo_d分别表示由控制器30计算的控制电压的期望值(假设用于压力调节器20和22的控制信号是电压信号)，这些值将被发送到第一压力调节器20和第二压力调节器22。
基于进入系统时提供的期望致动力值Fd、由状态观测器32提供的估计的致动力值Fest和由状态观测器32提供的工作腔室14和16中的压力的估计值Pc_est和Po_est以及相对的一阶导数，控制器30分别确定要提供给第一压力调节器20和第二压力调节器22的控制电压的期望值uc_d和uo_d。
基于工作腔室14和16中的致动力和压力的测量值Fm、Pc和Po以及控制电压的期望值uc_d和uo_d，状态观测器32确定上述工作腔室14和16中的致动力和压力的估计值Fest、Pc_est和Po_est以及第二个估计值的一阶导数和/>
控制器30和状态观测器32集成了致动装置10以及与其相关联的压力调节器20和22的动态模型。
更具体地，压力调节器20和22的数学模型由以下等式给出，该等式描述了第i个压力调节器的动态行为，其中第一个压力调节器20的i＝c，并且第二个压力调节器22的i＝o：
上述等式(1)基于提供给第i压力调节器的控制电压ui，以很高的精度近似由该第i压力调节器调节的压力Pi的二阶导数。参数 和cI可以借助于迭代过程经验确定。
关于致动装置10，由此施加的致动力(夹持力)F由以下等式给出：
F＝AP+b，
其中A＝[-a1 a2](校准系数)，P＝[Pc Po]T和b是可以根据经验估计的参数。
致动力F的二阶导数由以下等式给出：
其中
和
在上面给出的等式(4)、(5)中，δ因子与上面提到的A向量一致。
上面给出的等式(4)是基于这样的假设，即对于用于控制致动装置10的两个压力调节器20和22来说，等式(1)的上述参数 和ci是相同的。然而，这一假设并不具有约束力，因为本发明的控制方法也可以在两个压力调节器20和22的这些参数的不同值下工作。
控制器30(如上所述为闭环PID控制器)使用的控制定律由以下等式给出：
控制器30被设计成最小化u向量＝[uc_d uo_d]的范数，考虑到由等式(3)表示的致动力的二阶导数必须等于等式(6)的右侧的项。结果，在每次迭代时，控制器30为压力调节器20和22的控制电压提供通过实施上述优化算法计算的期望输出值uc_d和uo_d，该优化算法精确地基于使上述u向量的范数最小化。
实验已经证明，上述控制方法使得能够以很高的精度控制由致动装置施加的力，期望力和实际施加的力之间的误差小于1N(相对于几十N的力)。
如前所述，除了确保非常低的错误风险的优点之外，根据本发明的控制方法还提供了由于执行优化计算而使能量消耗最小化的优点，该优化计算使得能够确定施加在致动装置的工作腔室中的最小压力以产生期望力。
此外，根据本发明的控制方法使得能够获得关于经典PID控制器以及关于上面引用的已知控制方法的更好的性能，特别是当跟踪时变信号和管理晶体管时。
在不损害本发明原理的情况下，可以对仅通过非限制性示例描述和说明的实施例进行广泛修改，而不因此偏离如所附权利要求中限定的本发明的范围。
例如，如前所述，尽管这里已经具体参考其应用于夹持装置(例如气动致动装置)来描述和说明控制方法，但它同样适用于气动气缸。事实上，在气动气缸中也将有两个工作腔室，其压力由各自的压力调节器调节，以便确定作为致动构件的杆的延伸或收缩，在这种情况下，控制方法可以控制杆施加的压缩力或拉伸力。

Claims (4)

1.一种用于控制由气动致动装置(10)施加的致动力(F)的方法，
其中，所述致动装置(10)包括第一工作腔室(14)和第二工作腔室(16)，所述第一工作腔室和所述第二工作腔室被配置成由加压空气源(18)分别通过第一压力调节器(20)和第二压力调节器(22)供应加压空气，以及
其中，所述第一压力调节器(20)和所述第二压力调节器(22)中的每一个被配置成根据控制信号调节相应工作腔室(14，16)内的空气压力，
所述方法提供以下步骤的迭代实时实施：
a)通过基于所述致动装置(10)和第一压力调节器和第二压力调节器(20，22)的动态模型的优化算法，计算对于所述第一压力调节器和第二压力调节器(20，22)的所述控制信号的期望值(uc_d，uo_d)，以便通过所述致动装置(10)产生等于给定期望值(Fd)的致动力，由闭环比例-积分-微分控制器(30)根据所述致动力的期望值(Fd)以及根据所述致动力的估计值(Fest)和根据第一工作腔室和第二工作腔室(14，16)中的压力的估计值(Pc_est，Po_est)以及所述压力的一阶导数的估计值执行所述计算，以及
b)通过状态观测器(32)，基于所述致动力的测量值(Fm)和所述第一工作腔室和第二工作腔室(14，16)中的所述压力的测量值(Pc，Po)，建立所述致动力的所述估计值(Fest)，以及所述第一工作腔室和第二工作腔室(14，16)中的所述压力的估计值(Pc_est，Po_est)和所述压力的一阶导数的估计值
2.根据权利要求1所述的方法，其中，在步骤b)中，还通过考虑在步骤a)中计算的所述控制信号的所述期望值(uc_d，uo_d)，来建立所述致动力的估计值(Fest)、以及所述第一工作腔室和第二工作腔室(14，16)中的所述压力的估计值(Pc_est，Po_est)和所述压力的一阶导数的估计值
3.根据权利要求1或2所述的方法，其中，建立在步骤a)中计算的所述第一压力调节器和第二压力调节器(20，22)的所述控制信号的所述期望值(uc_d，uo_d)，以便最小化所述第一压力调节器和第二压力调节器(20，22)的所述控制信号的向量u＝[uc_d uo_d]的范数。
4.一种气动致动系统，包括：
气动致动装置(10)，被配置成施加致动力，所述致动装置(10)具有至少一个可移动致动构件(12)，以及第一工作腔室(14)和第二工作腔室(16)，所述第一工作腔室和所述第二工作腔室被配置成被供应加压空气以控制至少一个致动构件(12)的移动，
加压空气源(18)，
第一压力调节器(20)，插入在所述加压空气源(18)和所述第一工作腔室(14)之间，以向所述第一工作腔室(14)供应给定可调节压力的加压空气，
第二压力调节器(22)，插入在所述加压空气源(18)和所述第二工作腔室(16)之间，以向所述第二工作腔室(16)供应给定可调节压力的加压空气，
传感器装置(26，26'，28)，被配置成提供指示由所述致动装置(10)通过所述至少一个致动构件(12)施加的所述致动力的信号，以及指示第一工作腔室和第二工作腔室(14，16)中的所述压力的信号，以及
电子控制单元(24)，被配置为基于根据前述权利要求中任一项的控制方法来控制第一压力调节器和第二压力调节器(20，22)。
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