一种液压马达位置伺服系统的自抗扰自适应控制方法技术方案

本发明专利技术公开了一种液压马达位置伺服系统的自抗扰自适应控制(ADRAC)方法，该控制方法是基于线性扩张状态观测器(LESO)和自适应鲁棒控制(ARC)方法，并通过前馈相消方法使两者相互结合而得到的。该控制方法利用LESO对系统的不确定性非线性进行估计并在控制器设计中对其进行补偿，同时采用自适应控制处理系统的参数不确定性以提高控制器模型补偿的精度，获得了很好的跟踪性能。

【技术实现步骤摘要】
一种液压马达位置伺服系统的自抗扰自适应控制方法
本专利技术涉及电液伺服控制
，主要涉及一种液压马达位置伺服系统的自抗扰自适应控制方法。
技术介绍
液压马达位置伺服系统凭借其功率密度大，力/转矩输出大，动态响应快等特性，在飞行器、重型机械、高性能旋转测试设备等领域有着举足轻重的地位。电液伺服系统是一个典型的非线性系统，包含许多建模不确定性，包括参数不确定性和不确定性非线性，其中参数不确定性主要有负载质量、执行器的粘性摩擦系数、泄漏系数、伺服阀流量增益、液压油弹性模量等，不确定性非线性主要有未建模的摩擦动态、系统高阶动态、外干扰及未建模泄漏等。建模不确定性的存在会大大恶化以系统名义模型设计的控制器的性能，造成系统跟踪误差增大、极限环振荡、甚至使系统失稳。因此探索能同时处理系统参数不确定性和不确定性非线性，从而使系统获得高精度跟踪性能的先进的控制策略显得尤为重要。在现代非线性控制方法中，自适应鲁棒控制(ARC)可以同时解决参数不确定性和不确定性非线性的问题，该控制方法在两种建模不确定性同时存在的情况下可以使系统获得确定的暂态和稳态性能。但是在不确定性非线性为主要的建模不确定性时，如要获得高精度跟踪性能则必须通过提高反馈增益以减小跟踪误差，然而过大的反馈增益将提高闭环系统的频宽，从而可能激发系统的高频动态使系统失稳；为了克服强建模不确定性对系统性能的影响，自抗扰控制(ADRC)方法被提出。该控制方法对系统模型信息要求不多，即允许有很强的建模不确定性，主要运用一个扩张状态观测器(ESO)对系统的建模不确定性进行估计并在控制器的设计中对其进行前馈补偿。但是，ADRC将参数不确定性和不确定性非线性归并作为系统的集总的建模不确定性进行处理，而不是将两者分开单独处理，这样存在的问题是当参数不确定性占建模不确定性的绝大部分时，控制器的性能必将明显恶化。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提供一种能有效地同时处理系统参数不确定性和不确定性非线性的液压马达位置伺服系统的自抗扰自适应控制方法。实现本专利技术目的的技术解决方案为：一种液压马达位置伺服系统的自抗扰自适应控制方法，包括以下步骤：步骤1，建立液压马达位置伺服系统的数学模型；步骤2，设计线性扩张状态观测器LESO；步骤3，设计自抗扰自适应控制器ADRAC；步骤4，ADRAC控制器性能定理及分析。本专利技术与现有技术相比，本专利技术所提出的液压马达位置伺服系统的自抗扰自适应控制方法，是一种基于线性扩张状态观测器(LESO)和自适应鲁棒控制(ARC)方法，并通过前馈相消方法使两者相互结合，得到一种新的自抗扰自适应控制(ADRAC)方法。该控制方法利用LESO对系统的不确定性非线性进行估计并在控制器设计中对其进行补偿，同时采用自适应控制处理系统的参数不确定性以提高控制器模型补偿的精度，获得了很好的跟踪性能。利用本专利技术的方案可更有效地同时处理系统的强参数不确定性和强不确定性非线性，克服了ARC和ADRC控制方法各自的保守性。仿真结果验证了其有效性。附图说明图1是液压马达位置伺服系统的原理图。图2是液压马达位置伺服系统的自抗扰自适应(ADRAC)控制方法原理示意图。图3是ADRAC控制器作用下系统输出对期望指令的跟踪过程。图4是ADRAC控制器作用下系统的跟踪误差随时间变化的曲线。图5是ADRAC、ADRC和ARC控制器作用下系统的跟踪误差对比曲线。图6是ADRAC控制器作用下系统参数估计值随时间变化的曲线。图7是LESO对系统建模不确定性的估计。图8是ADRAC控制器作用下系统的控制输入随时间变化的曲线。图9是ARC控制器作用下系统参数估计值随时间变化的曲线。具体实施方式下面结合附图及具体实施例对本专利技术作进一步详细说明。结合图1～2本专利技术液压马达位置伺服系统的自抗扰自适应控制方法，包括以下步骤：步骤1，建立液压马达位置伺服系统的数学模型；(1.1)如图1所示为典型液压马达位置伺服系统的示意图，其中，是通过伺服阀控制的液压马达驱动惯性负载。图1左侧是液压马达位置伺服系统结构，右侧是液压马达结构示意图。根据牛顿第二定律，惯性负载的运动方程为：式(1)中m为惯性负载参数；PL＝P1-P2为液压马达负载压力，P1,P2为液压马达两腔压力；A为液压马达的排量；B为粘性摩擦系数；AfSf为近似的非线性库伦摩擦力，其中Af为库伦摩擦力的幅值，Sf为已知的形状函数。忽略液压马达的外泄漏，则液压马达负载压力动态方程为：式(2)中Vt表示液压马达两腔总的控制容积；βe为有效油液弹性模量；Ct为内泄漏系数；Q(t)为时变的建模误差，包括复杂的内泄漏建模误差、未建模压力动态等；QL＝(Q1+Q2)/2为负载流量，Q1和Q2分别为液压马达的进油腔流量和回油腔流量。负载流量QL与伺服阀位移xv的关系为：式(3)中s(xv)的定义为：式中Cd流量系数；ω为阀芯面积梯度；ρ为油液密度；Ps为供油压力，Pr为回油压力。由于考虑伺服阀动态需要安装额外的位移传感器来获取伺服阀阀芯的位移，而且对于跟踪性能只有微小的提升。因此大量相关的研究都忽略伺服阀的动态，假设采用的是高响应的伺服阀，阀芯位移与控制输入近似为比例环节即xv＝kiu，故式(3)可以写成式(5)中kt＝kqki代表总的流量增益。(1.2)定义状态变量：则系统的状态方程为：由于液压系统参数B,Af和Ct受各种因素(如温度、组件磨损程度等)影响变化很大，因此为了简化系统状态方程，定义未知参数向量θ＝[θ1,θ2,θ3]T,θ1＝B/m,θ2＝Af/m,θ3＝Ct。则式(6)可写成式(7)中,系统控制器的设计目标为：给定系统参考信号yd(t)＝x1d(t)，设计一个有界的控制输入u使系统输出y＝x1尽可能地跟踪系统的参考信号。为便于控制器设计，假设如下：假设1：系统参考指令信号x1d(t)是三阶连续的，且系统期望位置指令、速度指令、加速度指令及加加速度指令都是有界的。液压马达位置伺服系统在一般工况下工作，即液压马达两腔压力P1,P2均小于供油压力Ps，且|PL|也小于Ps以保证式(9)中的f1＞0。假设2：参数不确定性θ的大小范围已知，即式中θmin＝[θ1min,...,θ3min]T,θmax＝[θ1max,...,θ3max]T为向量θ的已知上下界。步骤2，设计线性扩张状态观测器LESO，步骤如下：(2.1)针对系统数学模型的第三个通道中的建模误差q(t),设计如下的线性扩张状态观测器：(10)式(10)中分别是状态x3和扩张状态x4的估计值，ω0是观测器的频宽。(2.2)对于扩张状态x4的定义有两种，第一种是将x4定义为q(t)，第二种是将x4定义为不论是哪种扩张状态的定义，可构建的LESO是相同的，不同的定义造成的仅仅是估计误差的动态不同而已。令为状态估计误差，为缩比的状态估计误差且ε＝[ε1,ε2]T，并令扩张状态的导数为h(t)，分两种情况讨论状态估计误差的动态：1.Case1将x4定义为q(t)，则系统的模型为：(11)由于仅对第三个通道设计LESO，故对应的状态估计误差的动态为：(12)因此有式(13)中A,B1,B2的定义为：因此矩阵A是Hurwitz的，因此存在一个正定对称的矩阵P使得ATP+PA＝-I成立，I为单位矩阵。2.Case2将x4本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种液压马达位置伺服系统的自抗扰自适应控制方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤1、建立液压马达位置伺服系统的数学模型；步骤2、设计线性扩张状态观测器LESO；步骤3、设计自抗扰自适应控制器ADRAC；步骤4、自抗扰自适应控制器的性能定理。

【技术特征摘要】
1.一种液压马达位置伺服系统的自抗扰自适应控制方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤1、建立液压马达位置伺服系统的数学模型；步骤2、设计线性扩张状态观测器LESO；步骤3、设计自抗扰自适应控制器ADRAC；步骤4、自抗扰自适应控制器的性能定理；其中，步骤1所述建立液压马达位置伺服系统的数学模型，具体如下：(2.1)针对典型液压马达位置伺服系统，通过伺服阀控制的液压马达驱动惯性负载，其惯性负载的运动方程为：式(1)中，m为惯性负载参数；PL＝P1-P2为液压马达负载压力，P1,P2为液压马达两腔压力；A为液压马达的排量；B为粘性摩擦系数；AfSf为近似的非线性库伦摩擦力，其中Af为库伦摩擦力的幅值，Sf为已知的形状函数,y表示的是惯性负载位移；忽略液压马达的外泄漏，则液压马达负载压力动态方程为：式(2)中，Vt表示液压马达两腔总的控制容积；βe为有效油液弹性模量；Ct为内泄漏系数；Q(t)为时变的建模误差，包括复杂的内泄漏建模误差、未建模压力动态；QL＝(Q1+Q2)/2为负载流量，Q1和Q2分别为液压马达的进油腔流量和回油腔流量；负载流量QL与阀芯位移xv的关系为：式(3)中sign(xv)的定义为：式中Cd流量系数；ω为阀芯面积梯度；ρ为油液密度；Ps为供油压力；假设采用高响应的伺服阀，则阀芯位移与控制输入近似为比例环节，即xv＝kiu，故式(3)可以写成：式(5)中kt＝kqki代表总的流量增益；(2.2)定义状态变量：则系统的状态方程为：定义未知参数向量θ＝[θ1,θ2,θ3]T,θ1＝B/m,θ2＝Af/m,θ3＝Ct，则式(6)可写成：式(7)中,系统控制器的设计目标为：给定系统参考信号yd(t)＝x1d(t)，设计一个有界的控制输入u使系统输出y＝x1尽可能地跟踪系统的参考信号；为便于控制器设计，假设如下：假设1：系统参考指令信号x1d(t)是三阶连续的，且系统期望位置指令、速度指令、加速度指令及加加速度指令都是有界的；液压马达位置伺服系统在一般工况下工作，即液压马达两腔压力P1,P2均小于供油压力Ps，且|PL|也小于Ps以保证式(8)中的f1＞0；假设2：参数不确定性θ的大小范围已知，即式中θmin＝[θ1min,...,θ3min]T,θmax＝[θ1max,...,θ3max]T为向量θ的已知上下界；其中，步骤2所述设计线性扩张状态观测器LESO，步骤如下：(3.1)针对前述建立的系统数学模型的式(7)第三个方程中的建模误差q(t),设计如下的线性扩张状态观测器：式(10)中分别是状态x3和扩张状态x4的估计值，ω0是观测器的频宽；(3.2)对于扩张状态x4，分两种情况定义：第一种是将x4定义为q(t)，第二种是将x4定义为令为状态估计误差，(i＝1,2；j＝i+2)为缩比的状态估计误差且ε＝[ε1,ε2]T，并令扩张状态的导数为h(t)，状态估计误差的动态估计如下：1.将x4定义为q(t)将x4定义为q(t)，则系统的模型可表达为：由于仅对式(7)第三个方程设计LESO，故对应的状态估计误差的动态为：因此有：式(13)中A,B1,B2的定义为：因此矩阵A是Hurwitz的，因此存在一个正定对称的矩阵P：使得ATP+PA＝-I成立...

【专利技术属性】
技术研发人员：姚建勇，邓文翔，
申请(专利权)人：南京理工大学，
类型：发明
国别省市：江苏;32