← 返回
电动汽车驱动 多物理场耦合 ★ 4.0

基于反步法的主动抗扰解耦控制在液压驱动下肢外骨骼机器人中的应用

Active Disturbance Rejection Control With Backstepping for Decoupling Control of Hydraulic Driven Lower Limb Exoskeleton Robot

作者 Jinsong Zhao · Yunpeng Zhang · Huidong Hou · Yuwei Yue · Kai Meng · Zitao Yang
期刊 IEEE Transactions on Industrial Electronics
出版日期 2024年7月
技术分类 电动汽车驱动
技术标签 多物理场耦合
相关度评分 ★★★★ 4.0 / 5.0
关键词 液压驱动下肢外骨骼机器人 解耦控制算法 反馈线性化 扩张状态观测器 反步控制器
语言:

中文摘要

液压驱动下肢外骨骼机器人(HDLLER)是一种助力运动装置,可帮助穿戴者提高承重能力并减轻疲劳。然而,HDLLER 是一个非线性系统,关节之间存在强耦合以及参数摄动问题,这会影响其轨迹跟踪性能。本文聚焦于一种有效的解耦控制算法。首先,通过反馈线性化将 HDLLER 的强耦合非线性系统从严格反馈形式转换为规范形式,从而避免反步方法的微分爆炸问题。为了重构变换后系统的状态变量和非线性项,采用了自抗扰控制(ADRC)最重要的组成部分——扩张状态观测器(ESO)。然后,设计了基于 ESO 的反步控制器,并利用李雅普诺夫定理证明了其稳定性。最后,通过对比实验验证了所提算法的正确性,结果表明该方法能更好地抑制耦合,从而提高跟踪性能。

English Abstract

The hydraulic driven lower limb exoskeleton robot (HDLLER), a power-assisted exercise device, can help wearers to improve their load-bearing capacity and reduce fatigue. However, the HDLLER is a nonlinear system and has strong coupling between the joints and parameter ingestion problems, which will affect its trajectory tracking performance. This article focuses on an effective decoupling control algorithm. First, the strongly coupled nonlinear system of the HDLLER is converted from the strict-feedback form into a canonical form through feedback linearization, which can avoid the differential explosion problem of the backstepping method. To reconstruct the state variables and nonlinear term of the transformed system, the extended state observer (ESO) which is a foremost component of active disturbance rejection control (ADRC) is adopted. Then, the backstepping controller based on ESO is designed and its stability is proved by Lyapunov's theorem. Finally, contrast experiments are implemented to confirm the correctness of the proposed algorithm, which indicates the presented approach can better suppress the coupling to improve tracking performance.
S

SunView 深度解读

从阳光电源的业务视角来看,这篇论文提出的自抗扰控制与反步法结合的解耦控制算法,虽然应用于液压驱动外骨骼机器人领域,但其核心技术理念与我们在新能源系统控制中面临的挑战高度契合。

在光伏逆变器和储能系统领域,我们同样面临多变量强耦合、非线性动态响应以及参数不确定性等控制难题。该论文通过反馈线性化将严格反馈系统转换为规范形式,有效规避了传统反步法的"微分爆炸"问题,这一思路可直接借鉴到我们的多电平逆变器控制和储能系统功率协调中。特别是扩展状态观测器(ESO)对系统状态变量和非线性项的重构能力,对于处理光伏发电中的快速光照变化、电网扰动以及储能系统的荷电状态估计具有重要参考价值。

从技术成熟度评估,自抗扰控制(ADRC)技术已在工业控制领域有较多应用案例,但与反步法的深度融合仍属前沿研究。对阳光电源而言,这项技术的应用机遇在于:一是可提升逆变器在弱电网条件下的稳定性和动态响应速度;二是能改善储能系统多目标协调控制性能,实现更精准的功率分配;三是为我们正在布局的氢能系统电解槽控制提供新的技术路径。

技术挑战主要体现在ESO参数整定的复杂性和计算资源消耗。建议我们的研发团队可以启动预研项目,将该解耦控制算法应用于储能变流器测试平台,验证其在实际工况下对多机并联、有功无功解耦控制的改善效果,为下一代产品技术升级储备核心算法。