In this dissertation, a new strategy for high performance of electro-hydrostatic actuation (EHA) system is studied in view of both control and circuit design. Recently, an electro-hydrostatic actuation system has been developed for mobile purpose from the advantage of high efficiency compared to conventional servo-valve controlled hydraulic actuation system. Nevertheless, due to the absence of pre-pressurized fluid, the basic hydrostatic actuation systems employing a single variable-speed prime mover and a single fixed-displacement pump have inherent limitations with relatively low response. On the other hand, the flow-source actuation systems inevitably involve mismatched disturbances as well as non-linear functions and system uncertainties. To address the problems, the dissertation proposes the EHA circuit with high response and high efficiency simultaneously using an additional high-pressure accumulator and presents a robust control approach by combining disturbance observer and backstepping controller based on identified nonlinear hydraulic system.
First, the conditions for high response of a hydrostatic actuation system with passive auxiliary circuit for effectively compensating the volume difference between both chambers of a double-acting single-rod hydraulic cylinder is analyzed by bond graph approach. Accordingly, a hydrostatic closed circuit with an additional pressurized flow source is suggested. To identify the proposed circuit, with the aid of the augmented force state, a nonlinear dynamic model of minimum-phase is derived by the connection rule. Since the proposed circuit has three operation modes (EHA mode, hybrid actuation mode, charge mode) according to the position of each directional valve, the operational principle of each mode is analyzed and, especially, the operation of the high-pressure accumulator in the hybrid actuation mode is considered. Then, the validity of the induced mathematical model is verified by comparison with the experimental system.
In the EHA mode of the proposed EHA circuit, a model-based robust control – a disturbance observer based robust backstepping control – is designed in state space. To begin with, a full-state disturbance observer is independently designed to estimate disturbances that include friction, load force, and parameter uncertainties. Motivated by the fact that the nonlinear system is well-identified in the conducted study, the backstepping approach is considered for reference tracking. Consequently, to reject the mismatched disturbance while guaranteeing the tracking performance, the disturbance-compensated backstepping controller is designed by adopting the Lyapunov function of the closed-loop system. As a result, it is shown that, when the disturbance estimation error is bounded to some extent, the proposed approach reveals stronger Lyapunov stability with a simpler design than ARC, and has stronger Lyapunov stability than that of DOB-SMC in case of successful derivative of the mismatched disturbance estimate. The effectiveness of the proposed approach is demonstrated by an application to the pump-controlled EHA system.
In addition, to maximize the efficiency of the hybrid actuation mode considered as a multiple-input single-output (MISO) control system, a reference-based proportional-differential (PD) add-on controller is applied that provides an additional flow rate to achieve the required performance. Although the charge mode is essentially required to charge the discharged flow rate of the high-pressure accumulator, it is shown that the proposed EHA system is applicable to the mobile system that performs periodic movement such as gait of the lower-limb exoskeleton robot.
본 논문은 제어 및 회로 설계 관점에서 EHA 유압 시스템의 고성능을 위한 전략을 연구한다. 최근, EHA 유압 시스템은 기존 유압 구동 시스템에 비해 높은 효율을 가지는 장점으로부터 이동형 시스템에 사용될 가능성이 제기되고 있다. 그럼에도 불구하고, 단일 각속도 가변형 원동기와 단일 고정 유량형 펌프를 채택하는 기본적인 EHA 유압 시스템은 미리 압축된 유체를 사용하지 않기 때문에 상대적으로 반응성이 낮은 고유의 한계점이 존재한다. 한편, 유량 원천 구동 시스템은 불가피하게도 비선형 함수 및 시스템 불확실성뿐만 아니라 비정합 외란을 수반하고 있다. 이러한 문제들을 해결하기 위하여, 본 논문에서는 추가적인 고압용 축압기를 사용하여 고반응/고효율을 동시에 가지는 하이브리드 유압 구동 회로를 제안하고 강인 제어 기법, 즉 외란 관측기 기반 백스테핑 제어 기법을 식별된 비선형 모델에 근거하여 설계 및 적용한다.
먼저, 복동 편로드 유압 실린더 양 실의 체적 차를 효과적으로 보상하기 위한 수동 보조 회로를 가지는 EHA 유압 시스템을 본드 그래프 기법으로 나타내어 고반응/고효율을 위한 조건을 분석하고 압축된 유량 원천을 추가적으로 가지는 유체 정역학적 폐회로를 제안한다. 제안된 회로의 식별을 위해, 증강된 힘 상태 변수를 새롭게 정의하여 느리게 변하는 온도 가정 하에서 연결 규칙을 통해 최소 위상 비선형 동적 모델을 유도한다. 제안된 회로는 각 밸브의 구동에 따라 3개의 구동 모드(EHA 모드, 하이브리드 구동 모드, 충진 모드)를 가지게 되는데, 각 구동 모드의 구동 원리에 대해 분석하고 특히, 하이브리드 구동 모드에서 고압용 축압기의 동작을 고찰한다. 최종적으로 유도된 수학적 모델을 실험 시스템과 비교함으로써 그 타당성을 검증한다.
제안된 하이브리드 유압 구동 시스템의 EHA 모드에서 모델 기반 강인 제어, 즉, 외란 관측기 기반 강인 백스테핑 제어를 상태 공간 하에서 구현한다. 먼저, 전상태피드백 하에서 마찰과 외부 힘, 그리고 시스템 불확실성을 포함하는 외란을 추정하기 위해 외란 관측기를 독립적으로 설계한다. 수행된 연구에서 비선형 시스템이 잘 식별된다는 사실에 기인하여, 기준 신호 추종을 위해 백스테핑 기법을 고려한다. 결론적으로, 추종 성능을 보장하는 비정합 외란 보상을 위해 폐회로 시스템의 리아푸노브 함수를 채택하여 외란이 보상된 백스테핑 제어기를 설계한다. 결과적으로 제안된 기법은 외란 추정 오차가 어느 정도 경계되어 있을 시에 적응 강인 제어에 비해 강한 리아푸노브 안정성 및 간단한 설계 과정을 가지고, 또한 추정된 비정합 외란의 미분 값을 성공적으로 계산될 수 있을 시에 외란 관측기 기반 슬라이딩 모드 제어에 비해 강한 리아푸노브 안정성을 가진다는 것을 보인다. 제안된 기법을 EHA 모드의 펌프 속도 제어에 적용함으로써 그 효과를 증명한다.
게다가, 다중 입력 단일 출력 제어 시스템으로 여겨지는 하이브리드 구동 모드의 효율과 성능을 극대화하기 위해, 기본적으로 펌프가 제공하는 유량에 요구 성능을 만족하기 위한 부가적인 유량을 제공하는 기준값 기반 비례-미분 제어기를 설계한다. 비록 이러한 하이브리드 유압 구동 시스템은 고압용 축압기의 토출된 유량을 충진시켜주는 충진 모드가 필수적으로 요구되지만 하지 외골격 로봇의 보행과 같은 주기적인 운동을 하는 이동형 시스템에 적용 가능함을 보인다.