一种针对控制方向未知的气动系统位置自适应控制方法技术方案

本发明专利技术公开了一种针对控制方向未知的气动系统位置自适应控制方法，步骤包括：步骤1)建立气动位置伺服系统的模型，控制目标是在比例阀输出正、反两种连接方式时，使活塞的位移都能跟踪所要求的期望输出；步骤2)引入Nussbaum增益函数，设置气动位置伺服系统的自适应控制器；步骤3)对控制信号进行限幅；步骤4)对气动位置伺服系统的未知模型参数的值进行估计，将估计得到的结果用于实时更新自适应控制器参数，计算机通过D/A转换器将经过限幅的控制信号输给比例阀，实时调节无杆气缸中活塞的位移。本发明专利技术的方法，不需要已知控制增益的方向，不需要增加压力检测硬件或软件观测算法，跟踪效果更好，控制精度更高。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术属于气动系统位置跟踪控制
，涉及一种针对控制方向未知的气动系统位置自适应控制方法。
技术介绍
气动系统(即气动位置伺服系统)以其结构简单、功率体积比高、安全防爆、清洁和使用寿命长等特点，在工业自动化领域得到了广泛应用。但是，气动系统具有强非线性、参数时变性和模型不确定性，这些因素都增加了气动位置伺服系统的控制难度，如何提高气动位置伺服系统的轨迹跟踪性能，是当前气动位置伺服系统研究的一个重要方向。气动元件尤其是比例阀性价比的提高和微处理器速度的不断提高，给高性能气动跟踪控制系统带来了机遇。气动位置伺服系统比例阀至气缸两侧输气管的连接顺序决定了控制作用的方向，实际中连接方向通常固定，但是对一些便携设备可能现场安装过程中出现失误导致控制方向不确定。现有的气动位置伺服系统的控制方法均需假设系统的控制增益符号已知，而当系统控制增益符号未知时，现有的很多控制方法很难实现有效控制。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提供一种针对控制方向未知的气动系统位置自适应控制方法，解决了现有技术需要预先已知气动位置伺服系统控制增益的方向，而当系统控制增益符号(方向)未知时，现有的很多自适应控制方法难以实现的问题。本专利技术采用的技术方案是，一种针对控制方向未知的气动系统位置自适应控制方法，该方法按照以下步骤具体实施：步骤1、建立气动位置伺服系统的模型根据气动位置伺服系统的工作机理，忽略摩擦，同时进行线性化处理，得到线性化数学模型如式(1)所示：x·1=x2x·2=x3x·3=a1x1+a2x2+a3x3+buy=x1,---(1)]]>其中x1、x2、x3为系统状态变量，物理含义分别表示活塞(1)的位置、速度和加速度，分别对应为x1、x2、x3的一阶导数，u为控制输入，a1，a2，a3为未知模型参数，b为大小和方向均未知的系统控制增益，控制目标是在比例阀输出正、反两种连接方式时，使活塞的位移y都能跟踪所要求的期望输出yd；步骤2、引入Nussbaum增益函数，设置气动位置伺服系统的自适应控制器对上述的式(1)选取自适应控制器，自适应控制器的模型表达式分别如式(2)和式(3)所示：ξ·=z3(c3z3+θ^Tω),---(2)]]>u′=N(ξ)(c3z3+θ^Tω),---(3)]]>其中N(ξ)为Nussbaum型偶函数，z1＝x1-yd，z2＝x2-α1，z3＝x3-α2，θ＝[1a1a2a3]T为参数向量，为θ的估计值，为状态向量，为期望输出yd的一阶导数，为α1的一阶导数，为α2的一阶导数，α1、α2、z1、z2、z3为中间变量，c1、c2和c3为设置参数；步骤3、对控制信号u′进行限幅，如式(4)：u=Umaxu′>Umaxu′-Umax≤u′≤Umax-Umaxu′<-Umax,---(4)]]>Umax为控制量限幅值；步骤4、对气动位置伺服系统的未知模型参数的值进行估计未知模型参数的估计值参照式(5)进行计算：θ^·=Γωz3,---(5)]]>其中的Γ是正定矩阵，为自适应增益，为的一阶导数，将式(5)估计得到的数值用于实时更新式(2)中的参数，计算机通过D/A转换器将经过限幅的控制信号输给比例阀，实时调节无杆气缸中活塞的位移y。本专利技术的有益效果是，不需要预先已知系统控制增益的方向；不需要增加压力检测硬件或软件观测算法；不需要对象的模型的非线性项和不确定参数界，便能够实施有效控制；与现有一些控制方法相比，能够获得更好的跟踪效果和更高的控制精度。附图说明图1是本专利技术方法的控制对象(比例阀控制无杆气缸)的结构示意图；图2是采用本专利技术方法在比例阀正向连接时跟踪正弦信号的实验结果；图3是采用本专利技术方法在比例阀正向连接时跟踪S曲线的实验结果；图4是采用本专利技术方法在比例阀正向连接时跟踪多频正弦信号的实验结果；图5是采用本专利技术方法在比例阀反向连接时跟踪正弦信号的实验结果；图6是采用本专利技术方法在比例阀反向连接时跟踪S曲线的实验结果；图7是采用本专利技术方法在比例阀反向连接时跟踪多频正弦信号的实验结果；图8是采用滑模变结构方法1在比例阀正向连接时跟踪正弦信号的实验结果；图9是采用滑模变结构方法1在比例阀正向连接时跟踪S曲线的实验结果；图10是采用滑模变结构方法1在比例阀正向连接时跟踪多频正弦信号的实验结果；图11是采用滑模变结构方法1在比例阀反向连接时跟踪正弦信号的实验结果；图12是采用滑模变结构方法1在比例阀反向连接时跟踪S曲线的实验结果；图13是采用滑模变结构方法1在比例阀反向连接时跟踪多频正弦信号的实验结果；图14是采用滑模变结构方法2在比例阀正向连接时跟踪正弦信号的实验结果；图15是采用滑模变结构方法2在比例阀正向连接时跟踪S曲线的实验结果；图16是采用滑模变结构方法2在比例阀正向连接时跟踪多频正弦信号的实验结果；图17是采用反步自适应方法1在比例阀正向连接时跟踪正弦信号的实验结果；图18是采用反步自适应方法1在比例阀正向连接时跟踪S曲线的实验结果；图19是采用反步自适应方法1在比例阀正向连接时跟踪多频正弦信号的实验结果；图20是采用反步自适应方法2在比例阀正向连接时跟踪正弦信号的实验结果；图21是采用反步自适应方法2在比例阀正向连接时跟踪S曲线的实验结果；图22是采用反步自适应方法2在比例阀正向连接时跟踪多频正弦信号的实验结果。图中，1.活塞，2.负载，3.无杆气缸，4.位移检测仪，5.比例阀，6.计算机，7.减压阀，8.气泵，9.储气罐。具体实施方式下面结合附图和具体实施例对本专利技术进行详细说明。本专利技术的针对控制方向未知的气动系统位置自适应控制方法，按照以下步骤具体实施：步骤1、建立气动位置伺服系统的模型参照图1，本专利技术方法所依赖的气动位置伺服系统的结构是，无杆气缸3的活塞1与负载2固定连接，活塞1还与位移检测仪4对应接触，位置检测仪4的输出信号通过A/D转换器接入计算机6；无杆气缸3的气腔A侧和气腔B侧分别与比例本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种针对控制方向未知的气动系统位置自适应控制方法，其特征在于，该方法按照以下步骤具体实施：步骤1、建立气动位置伺服系统的模型根据气动位置伺服系统的工作机理，忽略摩擦，同时进行线性化处理，得到线性化数学模型如式(1)所示：x·1=x2x·2=x3x·3=a1x1+a2x2+a3x3+buy=x1,---(1)]]>其中x1、x2、x3为系统状态变量，物理含义分别表示活塞(1)的位置、速度和加速度，分别对应为x1、x2、x3的一阶导数，u为控制输入，a1，a2，a3为未知模型参数，b为大小和方向均未知的系统控制增益，控制目标是在比例阀(5)输出正、反两种连接方式时，使活塞(1)的位移y都能跟踪所要求的期望输出yd；步骤2、引入Nussbaum增益函数，设置气动位置伺服系统的自适应控制器对上述的式(1)选取自适应控制器，自适应控制器的模型表达式分别如式(2)和式(3)所示：ξ·=z3(c3z3+θ^Tω),---(2)]]>u′=N(ξ)(c3z3+θ^Tω),---(3)]]>其中N(ξ)为Nussbaum型偶函数，z1＝x1‑yd，z2＝x2‑α1，z3＝x3‑α2，θ＝[1 a1 a2 a3]T为参数向量，为θ的估计值，为状态向量，为期望输出yd的一阶导数，为α1的一阶导数，为α2的一阶导数，α1、α2、z1、z2、z3为中间变量，c1、c2和c3为设置参数；步骤3、对控制信号u′进行限幅，如式(4)：u=Umaxu′>Umaxu′-Umax≤u′≤Umax-Umaxu′<-Umax,---(4)]]>Umax为控制量限幅值；步骤4、对气动位置伺服系统的未知模型参数的值进行估计未知模型参数的估计值参照式(5)进行计算：θ^·=Γωz3,---(5)]]>其中的Γ是正定矩阵，为自适应增益，为的一阶导数，将式(5)估计得到的数值用于实时更新式(2)中的参数，计算机(6)通过D/A转换器将经过限幅的控制信号输给比例阀(5)，实时调节无杆气缸(3)中活塞(1)的位移y。...

【技术特征摘要】
1.一种针对控制方向未知的气动系统位置自适应控制方法，其特征在于，
该方法按照以下步骤具体实施：
步骤1、建立气动位置伺服系统的模型
根据气动位置伺服系统的工作机理，忽略摩擦，同时进行线性化处理，
得到线性化数学模型如式(1)所示：
x·1=x2x·2=x3x·3=a1x1+a2x2+a3x3+buy=x1,---(1)]]>其中x1、x2、x3为系统状态变量，物理含义分别表示活塞(1)的位置、
速度和加速度，分别对应为x1、x2、x3的一阶导数，u为控制输
入，a1，a2，a3为未知模型参数，b为大小和方向均未知的系统控制增益，
控制目标是在比例阀(5)输出正、反两种连接方式时，使活塞(1)的位移
y都能跟踪所要求的期望输出yd；
步骤2、引入Nussbaum增益函数，设置气动位置伺服系统的自适应控
制器
对上述的式(1)选取自适应控制器，自适应控制器的模型表达式分别
如式(2)和式(3)所示：
ξ·=z3(c3z3+θ^Tω),---(2)]]>u′=N(ξ)(c3z3+θ^Tω),---(3)]]>其中N(ξ)为Nussbaum型偶函数，z1＝x1-yd，z2＝x2-α1，
z3＝x3-α2，θ＝[1a1a2a3]T为参数向量，为θ的估计

\t值，为状态向量，为期望输出yd的一阶导数，为α1的一阶导数，为α2的一阶导数，α1、α2、z1、z2、z3...

【专利技术属性】
技术研发人员：任海鹏，樊军涛，
申请(专利权)人：西安理工大学，
类型：发明
国别省市：陕西;61