考虑体积弹性模量非线性的液压执行机构自适应鲁棒运动控制

doi:10.3901/JME.260205

机械工程学报 ›› 2025, Vol. 62 ›› Issue (6): 419-430.doi: 10.3901/JME.260205

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考虑体积弹性模量非线性的液压执行机构自适应鲁棒运动控制

吕立彤¹, 夏杨修^2,3, 祁满志^2,3, 陈正^2,3, 张连朋¹, 王瑞晨¹

1. 石家庄铁道大学机械工程学院石家庄 050043;
2. 浙江大学海洋精准感知技术全国重点实验室杭州 310058;
3. 浙江大学海洋学院舟山 316021

收稿日期:2025-05-28 修回日期:2026-01-08 发布日期:2026-05-12
作者简介:吕立彤,男,1992年出生,博士,副教授,博士研究生导师。主要研究方向为电液控制。E-mail:litong_lyu@stdu.edu.cn
陈正(通信作者),男,1984年出生,博士,教授,博士研究生导师。主要研究方向为先进机电控制。E-mail:zheng_chen@zju.edu.cn
基金资助:
国家重点研发计划(2023YFC2809903)、浙江省自然科学基金杰出青年基金(LR23E050001)、河北省高等学校科学技术研究(BJ2025200)、国家自然科学基金(52205064)和铁路青年人才托举工程资助项目。

Adaptive Robust Motion Control of Hydraulic Actuation Systems Considering Nonlinearity of Bulk Modulus

Lü Litong¹, XIA Yangxiu^2,3, QI Manzhi^2,3, CHEN Zheng^2,3, ZHANG Lianpeng¹, WANG Ruichen¹

1. School of Mechanical Engineering, Shijiazhuang Tiedao University, Shijiazhuang 050043;
2. State Key Laboratory of Ocean Sensing, Zhejiang University, Hangzhou 310058;
3. Ocean College, Zhejiang University, Zhoushan 316021

Received:2025-05-28 Revised:2026-01-08 Published:2026-05-12

摘要/Abstract

摘要： 液压传动体积弹性模量与工作压力存在机理关系，但现有基于模型的控制方法大多未能将其考虑在内，对于模型补偿效果和运动跟踪性能均存在负面影响，其中难点在于对模型数学表达的合理选取，需要兼顾模型描述的准确性和控制设计的可行性。为此，首先基于对体积弹性模量机理的分析，考虑模型补偿和参数自适应可行性，提出参数化分式形式的体积弹性模量模型，以液压缸驱动的回转关节为例，建立整体系统的参数化动力学模型；其次，在自适应鲁棒控制框架下，利用反步法进行基于模型的运动控制设计，尤其是通过设计X-swapping机制，实现对体积弹性模量的有效模型补偿和主要参数在线自适应，并对闭环系统性能进行了理论分析；最后，开展对比试验，在与将体积弹性模量视为集中参数的主流控制方法对比中，实现了运动控制性能的进一步提升。

关键词: 电液控制, 自适应控制, 体积弹性模量

Abstract: There is a strong relationship between the bulk modulus and the working pressure in hydraulic systems. However, in almost all existing model-based control, such a relationship is not included, leading to negative impacts on model compensation effectiveness and motion tracking performance. The challenge is to select a mathematically reasonable model expression that balances accuracy in model description with feasibility in control design. To address this issue, this study first analyzes the mechanism of bulk modulus and proposes a parameterized fractional form model considering the feasibility of model compensation and parameter adaptation. Taking a hydraulic cylinder-driven rotary joint as an example, a parameterized dynamics model of the overall system is established. Subsequently, within the adaptive robust control framework, model-based motion control design is conducted using backstepping control. Particularly, through the design of an X-swapping mechanism, effective model compensation of the bulk modulus and online adaptation of key parameters are achieved. The theoretical analysis of the closed-loop system performance is also conducted. Finally, comparative experiments are carried out. Contrasted with mainstream control methods that treat the bulk modulus as a lumped parameter, the proposed approach demonstrates further enhancement in motion control performance.

Key words: electro-hydraulic control, adaptive control, bulk modulus

中图分类号:

TH137

吕立彤, 夏杨修, 祁满志, 陈正, 张连朋, 王瑞晨. 考虑体积弹性模量非线性的液压执行机构自适应鲁棒运动控制[J]. 机械工程学报, 2025, 62(6): 419-430.

Lü Litong, XIA Yangxiu, QI Manzhi, CHEN Zheng, ZHANG Lianpeng, WANG Ruichen. Adaptive Robust Motion Control of Hydraulic Actuation Systems Considering Nonlinearity of Bulk Modulus[J]. Journal of Mechanical Engineering, 2025, 62(6): 419-430.

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