一种基于干扰估计的电液伺服系统自适应鲁棒控制方法技术方案

本发明专利技术公开了一种基于干扰估计的电液伺服系统的输出反馈控制方法，属于电液伺服控制领域。本发明专利技术针对阀控双出杆液压缸位置伺服系统的特点，建立了阀控双出杆液压缸位置伺服系统模型；本发明专利技术设计的基于干扰估计的双出杆液压缸系统高精度控制器，通过控制律参数调节能很好估计系统干扰，进而设计基于干扰估计的反馈补偿控制器，能有效解决伺服系统强非线性问题，大大降低实际应用中系统的反馈增益；能保证双出杆液压缸伺服系统的位置输出能准确地跟踪期望的位置指令；本发明专利技术简化了控制器设计，更利于在工程实际中应用。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及电液伺服系统控制方法，具体涉及一种基于干扰估计的电液伺服系统 自适应鲁棒控制方法。
技术介绍
电液伺服系统具有控制精度高、响应快速、输出功率大、信号处理灵活，易于实现 各种参量的反馈，因此，在负载质量大又要求响应速度快的场合最为适合，其应用已遍及国 民经济的各个领域，比如飞机与船舶舵机的控制、雷达与火炮的控制、机床工作台的位置控 制、板带轧机的板厚控制、电炉冶炼的电极位置控制、各种飞机车里的模拟台的控制、发电 机转速的控制、材料试验机及其他实验机的压力控制等等。然而，为电液伺服系统设计高性 能的控制器并不容易。因为设计人员很可能会遇到很多的模型不确定性，包括结构不确定 性（参数不确定性）和非结构不确定性等未建模的非线性。这些不确定性因素可能会严重 恶化能够取得的控制性能，从而导致低控制精度，极限环震荡，甚至不稳定性。对于已知的 非线性，可以通过反馈线性化技术处理。但是，无论动态非线性和参数识别的如何准确的数 学模型，都不可能得到实际非线性系统的整个非线性行为和确切的参数，进而进行完美的 补偿。始终存在着不能够用明确的函数来模拟的参数偏差和未建模非线性。这些不确定性 因素增加了控制系统的设计难度。为了提高电液系统的跟踪性能，设计人员对许多先进的 非线性控制器进行了研宄，如鲁棒自适应控制，自适应鲁棒控制（ARC)，滑模控制等等。特别 是自适应鲁棒控制已被应用到多种工程实际中，虽然都取得了优异的跟踪性能，但是这种 高精度的控制性能有可能是通过大的反馈增益取得的。 因此如何在取得高精度控制的同时，又能大大降低反馈增益系数是一个急需要解 决的问题。
技术实现思路
本专利技术为解决电液伺服伺服系统中参数确定性和不确定非线性问题，提出一种基 于干扰估计的电液伺服系统自适应鲁棒控制方法。 本专利技术的上述目的通过独立权利要求的技术特征实现，从属权利要求以另选或有 利的方式发展独立权利要求的技术特征。 为达成上述目的，本专利技术提出一种基于干扰估计的电液伺服系统自适应鲁棒控制 方法，该方法包括以下步骤： 步骤一、建立双出杆液压缸位置伺服系统模型为： 其中y为负载位移，m表示惯性负载，Pt= P「P2是负载驱动压力，P JP P 2分别为 液压缸的两腔压力，A为活塞杆有效工作面积，b代表粘性摩擦系数，f?代表其他未建模干 扰，包括非线性摩擦、外部干扰以及未建模动态； 液压缸负载压力动态方程为： 其中\分别为液压缸两腔总有效容积，Ct为液压缸泄露系数，Qe(Qi+Q2) /2是 负载流量，Qi液压缸无杆腔供油流量，Q2为液压缸有杆腔回油流量；为伺服阀阀芯位移xv 的函数，表示为： 其中为流量伺服阀的增益系数，cd为伺服阀的流量系数，w为伺服阀 的面积梯度；P为液压油的密度，Ps为供油压力，Pr为回油压力，sign (xv)表示为： 假设伺服阀阀芯位移正比于控制输入u，S卩，xv= kiU，其中ki>0是比例系数，u是 控制输入电压； 前述等式（3)转化为 其中kt= k 土表示总的流量增益； 定义状态变量I那么整个系统转化为下述状态空间形 式： 定义未知参数集 0 = t，其中 9b/m，0 2= 4 0ekt/mVt，0 3 =413e；A2/mVt, 04=4|3eCt/Vt,，d(x，t) =f/m表示集中干扰； 由于系统参数m，b，kt，0e，Vt和Ct是变化的，系统是结构不确定性的，系统的大 致信息是可以知道的；系统具有非结构不确定性d(x，t)，但其未建模动态和干扰总是有界 的，因而，以下假设总是成立的： 假设1 :结构不确定性0满足： 其中 9min- 和 9max-，匕 们都是已知的，此外 0lmin>o, 02min>o, 03min>o, 03min>o; 假设2 :d(x，t)是有界的，且导数也有界，即 其中S:和S2已知； 步骤二、配置基于干扰估计的电液伺服系统控制器，包括以下过程： 步骤二（一）、配置带速率限制的投影自适应律结构 令S表示0的估计，《表示0的估计误差，即g= 定义一个非连续投影函数 其中i= 1，2, 3, 4;? 表矩阵?的第i项； 设计自适应律如下： 其中T是自适应函数，r⑴>〇是连续的可微正对称自适应律矩阵；由此自适 应律，可得以下性质： P1)参数估计值总在已知有界的^集内，即对于任意t，总有决0)eQ"，因而由 假设1可得步骤二（二）、配置构建有限时间干扰观测器首先，把式（6)转化成如下形式：其中D(x,t) = ( 0 2_ 0 2n)x2-d(x,t)表示集中干扰； 由D(x,t) = ( 0 2_ 0 2n)x2_d(x,t)和假设2,可知D(x,t)是有界的，且一阶导也是 有界的，即：其中02m= 0 2眶-02min;为了去估计式（13)中的干扰D(x，t)，配置的有限时间干扰观测器，表达如下：其中入1>〇，1 = 〇，1，2是可调观测器系数，〇,/^?2分别为〇，亡，&的估计值； 引理1 :存在一个有限的时间，当t>!\时，其中定义如下饱和函数： 由式（26)和引理1可得： 步骤二（三）、配置基于干扰的电液伺服系统自适应鲁棒输出反馈控制器，包括以 下过程：如下定义一组变量： 其中zfxfxjt)是输出跟踪误差，kpO反馈增益；由于G(s) =zJsVzJs)= lAs+lO是一个稳定的传递函数，让Zl很小或趋近于零就是让22很小或趋近于零；因此，控 制器设计转变成让2 2尽可能小或趋近于零； 微分前述公式（18)并把式（13)代入，可得： 让z3=x3_a2表示虚拟误差，那么式（19)可变为： 基于干扰估计6，虚拟控制律a2为： 其中k2>0为反馈增益； 把式（21)代入（20)可得： a2s2满足如下条件：其中〇，0是设计参数，在此给出一个a2s2的形式： 为一个任意光滑曲线 g1^02m|x2| + 81 (24) 其中0211142| + 81是乃的上界；那么满足〇232的表达式如下由z3=x3_a2，以及式式（13)和式（21)，可得： 其中毛=< + 〇2。和名u为毛的可计算和不可计算部分： 其中4和4分别为勾的估计值和估计误差，其表达式如下： 那么基于干扰估计的自适应鲁棒控制器如下： 其中k3>0为反馈增益； 把式（29)代入式（26)，可得z3的动态方程 us2满足如下条件： 其中〇2>0是设计参数，在此给出一个us2的形式： 令&为一个任意光滑曲线 那么满足us2的表达式如下 步骤三、调苄基于控制律u的参数kpk2,k3,A^ApA2使系统满足控制性能。 本专利技术的有益效果是：本专利技术针对电液伺服系统的特点，建立了双出杆系统模型； 本专利技术设计的基于干扰估计的电液伺服系统自适应鲁棒输出反馈控制器，对系统干扰进行 估计并用于控制器设计，能有效解决电机伺服系统的参数不确定性和不确定非线性问题， 大大降低了系统的反馈增益，在上述干扰条件下系统控制精度满足性能指标；本专利技术简化 了控制器设计，仿真结果表明了其有效性。 应当理解，前述构思以及在下面更加详细地描述的额外构思的所有组合只要在这 样的构思不相互矛盾的情况下都可以被视为本公开的专利技术主题的一本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种基于干扰估计的电液伺服系统自适应鲁棒控制方法，其特征在于：该方法包括以下步骤：步骤一、建立双出杆液压缸位置伺服系统模型为：my··=PLA-by·+f(t,y,y·)---(1)]]>其中y为负载位移，m表示惯性负载，PL＝P1‑P2是负载驱动压力，P1和P2分别为液压缸的两腔压力，A为活塞杆有效工作面积，b代表粘性摩擦系数，f代表其他未建模干扰，包括非线性摩擦、外部干扰以及未建模动态；液压缸负载压力动态方程为：Vt4βeP·L=-Ay·-CtPL+QL---(2)]]>其中Vt分别为液压缸两腔总有效容积，Ct为液压缸泄露系数，QL＝(Q1+Q2)/2是负载流量，Q1液压缸无杆腔供油流量，Q2为液压缸有杆腔回油流量；QL为伺服阀阀芯位移xv的函数，表示为：QL=kqxvPs-sign(xv)PL---(3)]]>其中为流量伺服阀的增益系数，Cd为伺服阀的流量系数，w为伺服阀的面积梯度；ρ为液压油的密度,Ps为供油压力，Pr为回油压力，sign(xv)表示为：sign(xv)=1,ifxv≥0-1,ifxv<0---(4)]]>假设伺服阀阀芯位移正比于控制输入u，即，xv＝kiu，其中ki>0是比例系数，u是控制输入电压；前述等式(3)转化为QL=ktuPs-sign(u)PL---(5)]]>其中kt＝kqki表示总的流量增益；定义状态变量那么整个系统转化为下述状态空间形式：x·1=x2x·2=x3-θ1x2-d(x,t)x·3=θ2gu-θ3x2-θ4x3---(6)]]>定义未知参数集θ＝[θ1,θ2,θ3,θ4]T，其中θ1＝b/m，θ2＝4βekt/mVt，θ3＝4βe；A2/mVt，θ4＝4βeCt/Vt，d(x,t)＝f/m表示集中干扰；由于系统参数m,b,kt,βe,Vt和Ct是变化的，系统是结构不确定性的，系统的大致信息是可以知道的；系统具有非结构不确定性d(x,t)，但其未建模动态和干扰总是有界的，因而，以下假设总是成立的：假设1：结构不确定性θ满足：θ∈Ωθ=Δ{θ:θmin≤θ≤θmax}---(7)]]>其中θmin＝[θ1min,θ2min,θ3min,θ4min]T和θmax＝[θ1max,θ2max,θ3max,θ4max]T，它们都是已知的，此外θ1min>0,θ2min>0,θ3min>0,θ3min>0；假设2：d(x,t)是有界的，且导数也有界，即|d(x,t)|≤δ1,|d·(x,t)|≤δ2---(8)]]>其中δ1和δ2已知；步骤二、配置基于干扰估计的电液伺服系统控制器，包括以下过程：步骤二(一)、配置带速率限制的投影自适应律结构令表示θ的估计，表示θ的估计误差，即定义一个非连续投影函数其中i＝1,2,3,4；·i代表矩阵·的第i项；设计自适应律如下：θ^·=Projθ^(Γτ),θ^(0)∈Ωθ---(10)]]>其中τ是自适应函数，Γ(t)＞0是连续的可微正对称自适应律矩阵；由此自适应律，可得以下性质：P1)参数估计值总在已知有界的Ωθ集内，即对于任意t，总有因而由假设1可得θimin≤θ^i(t)≤θimax,i=1,2,3,4,∀t.---(11)]]>P2)θ~T[Γ-1Projθ^(Γτ)-τ]≤0,∀τ.---(12)]]>步骤二(二)、配置构建有限时间干扰观测器首先，把式(6)转化成如下形式：x·1=x2x·2=x3-θlnx2-D(x,t)x·3=θ2gu-θ3x2-θ4x3---(13)]]>其中D(x,t)＝(θ2‑θ2n)x2‑d(x,t)表示集中干扰；由D(x,t)＝(θ2‑θ2n)x2‑d(x,t)和假设2,可知D(x,t)是有界的，且一阶导也是有界的，即：D(x,t)≤θ2m|x2|+δ1          ...

【技术特征摘要】

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