考虑输入时滞约束的电液伺服系统位置跟踪控制方法技术方案

本发明专利技术公开了一种考虑输入时滞约束的电液伺服系统位置跟踪控制方法，该方法包括：建立电液伺服系统的数学模型；设计考虑输入时滞约束的控制器；运用李雅普诺夫稳定性理论进行稳定性证明，并得到系统有界稳定的位置跟踪性能且系统所有信号均有界的结果。本发明专利技术通过在控制器中引用一个输入时滞补偿信号，从而获得一个无输入时滞的开环误差系统，结合李雅普诺夫‑克拉索夫斯基泛函方法消去时滞带来的影响；本发明专利技术有效解决了实际电液伺服系统中输入时滞约束影响系统性能的问题，能够获得更好的高精度位置跟踪性能。

Position tracking control method for electro-hydraulic servo system with input delay constraint

The invention discloses a position tracking control method of electro-hydraulic servo system considering input time delay constraint. This method includes: establishing the mathematical model of the electro-hydraulic servo system, designing the controller with the input time delay constraint, using the Lee Yap Andrianof stability theory to verify the stability and getting the stable and stable position of the system. Tracking performance and the result that all signals of the system are bounded. This invention obtains an open loop error system without input delay by reference to an input delay compensation signal in the controller, and combines the Lyapunov J Lasovski functional method to eliminate the effect of time delay. The invention effectively solves the system performance of the input delay constraint in the actual electro-hydraulic servo system. The problem of high accuracy location tracking can be achieved.

【技术实现步骤摘要】
考虑输入时滞约束的电液伺服系统位置跟踪控制方法
本专利技术涉及电液伺服控制
，主要涉及一种考虑输入时滞约束的电液伺服系统位置跟踪控制方法。
技术介绍
随着现代化工业不断向自动化、精密化发展，对传动系统的高性能要求也随之而来，这种需求在各个工业领域表现的愈加强烈。电液伺服系统由于具备响应快、精度高、维护方便、传动效率高以及能源获取方便等突出优点，因而被广泛应用于机器人、机床、航空航天等各个重要领域并逐渐占据主导地位。随着精密工业及国防航空领域对电液伺服系统的跟踪精度、动态频宽、超低速性能等伺服性能要求不断提高，以往基于线性化模型的所设计的控制器已逐渐不能满足实际需求，成为了电液伺服系统进一步发展的瓶颈因素之一。因此，工业应用领域迫切地希望获得更加先进有效的控制方法来实现对电液伺服系统的高性能控制。实际的电液伺服系统由于测量元件、测量过程、控制元件以及执行元件的影响必然会存在时滞现象。为了获得更好的控制性能，在建立电液伺服系统模型时考虑时滞也是十分必要的，但是时滞通常与饱和及系统外干扰等不确定非线性相互作用，共同决定电液伺服系统的稳定性，因而过去许多控制方法都难以获得很好的控制性能。近年来，关于考虑非线性系统的饱和时滞控制策略的研究取得了重要进展，但是该领域的理论研究至今还存在诸多问题亟需解决，对于非线性系统的饱和时滞控制策略研究仍然是国际热点问题。为了提高时滞系统的性能和稳定性，目前时滞问题的经典解决方案都是受到Smith(1959年)和Artstein(1982年)研究成果的启发，通常是利用基于Smith预估器的控制方法。通过将这些方法进行变结构以解决存在确定性和不确定性动态的线性输入延迟系统的控制问题。然而，Krstic在文献《BeyondthisBook》部分中指出，因为在稳定性证明过程中使用了线性有界的系统模型，所以适用于不确定线性系统中的控制策略不宜直接应用于非线性系统。因此，对于存在输入延迟的非线性系统控制必须提出新的控制策略。对于模型已知的时滞系统控制已提出大量的控制策略，但是对于存在时滞的不确定非线性系统的控制策略却很少。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提供一种考虑输入时滞约束的电液伺服系统位置跟踪控制方法。实现本专利技术目的的技术解决方案为：一种考虑输入时滞约束的电液伺服系统位置跟踪控制方法，包括以下步骤：步骤1，建立电液伺服系统的数学模型；步骤2，设计考虑输入时滞约束的控制器；步骤3，运用李雅普诺夫稳定性理论进行稳定性证明，并得到系统有界稳定的位置跟踪性能且系统所有信号均有界的结果。本专利技术与现有技术相比，其显著优点为：本专利技术基于非线性系统控制方法，通过在控制器中引用一个输入时滞补偿信号，从而获得一个无输入时滞的开环误差系统，结合李雅普诺夫-克拉索夫斯基泛函方法来消去时滞约束带来的影响，有效地解决了实际电液伺服系统中输入时滞约束影响系统性能的问题，获得了更好的高精度位置跟踪性能。附图说明图1是本专利技术电液伺服系统模型图。图2是考虑输入时滞约束的电液伺服系统高精度位置跟踪控制方法原理示意图。图3是系统在低速且时滞量较小工况下本专利技术所设计的控制器作用下系统控制输入的在时滞前后的对比图。图4是系统在低速且时滞量较小工况下本专利技术所设计的控制器作用下系统输出对期望指令的跟踪过程示意图。图5是系统在低速且时滞量较小工况下本专利技术所设计的控制器作用下和传统PID控制器作用下系统的跟踪误差对比曲线图。图6是系统在高速且时滞量较小工况下本专利技术所设计的控制器作用下系统控制输入的在时滞前后的对比图。图7是系统在高速且时滞量较小工况下本专利技术所设计的控制器作用下系统输出对期望指令的跟踪过程示意图。图8是系统在高速且时滞量较小工况下本专利技术所设计的控制器作用下和传统PID控制器作用下系统的跟踪误差对比曲线图。图9是系统在高速且时滞量较大工况下本专利技术所设计的控制器作用下系统控制输入的在时滞前后的对比图。图10是系统在高速且时滞量较大工况下本专利技术所设计的控制器作用下系统输出对期望指令的跟踪过程图。图11是系统在高速且时滞量较大工况下本专利技术所设计的控制器作用下和传统PID控制器作用下系统的跟踪误差对比曲线图。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，本专利技术考虑输入时滞约束的电液伺服系统位置跟踪控制方法，包括以下步骤：步骤1，建立电液伺服系统的数学模型；步骤1-1，本专利技术所考虑的电液伺服系统为双出杆液压缸驱动惯性负载系统，是典型的电液伺服系统，由牛顿第二运动定律得出惯性负载的动态方程为：式(1)中，m为惯性负载的物理质量参数，y为惯性负载的位移量，PL为液压缸两腔压差，A为液压缸腔内的有效活塞面积，B为有效粘性阻尼系数，f(t)为建模误差，包括外负载力、摩擦力、黏性阻力以及其他难以进行非线性建模的外部干扰；其中PL＝P1-P2，P1、P2分别为液压缸左右两腔的油压；假设忽略阀与液压缸的各个连接管道里面的压力损失和管道的内部动态特性；忽略系统的外泄漏影响；液压系统的液压缸进油腔室、回油腔室里面各点处压力分布均匀，均相等；有效体积弹性模量和液压油液的温度为定值；由此可得液压缸内压力动态方程为：式(2)中，βe为液压系统内液压油的有效体积弹性模量，Vt为系统控制腔总容积，Ct为由压力引起的执行器总内泄漏系数，q(t)为模型误差，QL为伺服阀负载流量；由于考虑了实际液压系统中的输入时滞约束，在这种情况下电磁阀位置与控制器输入信号之间往往存在一定的时滞，即电磁阀实际位置之后于理论上控制输入的设计位置，此时控制输入与阀芯位置不成正比，由此可以得出QL：式(3)中，kt为关于控制输入u的总流量增益，Ps为关于回油压力Pr的系统油源进油压力，τ为已知非负常数时滞量，xv代表电磁阀位移，其中sign(xv)为符号函数，其定义为：步骤1-2，定义状态变量为假设未建模项f(t)为连续可微函数，同时根据式(1)、(2)和(3)建立的动态方程，由此系统模型可通过状态空间形式表达为：式(5)中，θ1＝-(4A2βe+4CtBβe)/(mVt)，假设各系统参数完全已知，即不存在参数不确定性。为了便于之后控制器设计与系统稳定性分析，在不影响系统控制性能和综合考虑跟踪精度的前提下，做出如下假设：假设1：期望跟踪轨迹xd充分光滑且满足如下表达式：xdi∈L∞,i＝1,2,3,4(6)假设2：在式(5)中的时变不确定项Δ(t)充分光滑且满足下式：其中，σ1,σ2为已知正常数。步骤2，设计考虑输入时滞约束的控制器，步骤如下；步骤2-1，定义z1＝x1-x1d为系统的跟踪误差，并设计如下辅助误差信号：式(8)中，k1,k2为反馈增益，均为控制器设计参数且皆为正值。步骤2-2，为获得一个额外的控制器设计自由度，定义一个辅助的误差信号r(t)：式(9)中k3＞0为可调增益，由于r(t)中含有位置的加速度信号的导数，因此在实际中认为是不可测量的，即r(t)仅为辅助设计所用，并不具体出现在所设计的控制器中。另外，zu为辅助函数，其表达式为：通过迭代式(8)和式(9)并代入式(5)可以得出：由此，提出如下控制律:为了便于随后的控制器稳定性分析，将式(12)代入式(11)后，将结果对时间t求导可以计算得到：步骤3，运用李雅普诺夫稳定性理论本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种考虑输入时滞约束的电液伺服系统位置跟踪控制方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤1，建立电液伺服系统的数学模型；步骤2，设计考虑输入时滞约束的控制器；步骤3，运用李雅普诺夫稳定性理论进行稳定性证明，并得到系统有界稳定的位置跟踪性能且系统所有信号均有界的结果。

【技术特征摘要】
1.一种考虑输入时滞约束的电液伺服系统位置跟踪控制方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤1，建立电液伺服系统的数学模型；步骤2，设计考虑输入时滞约束的控制器；步骤3，运用李雅普诺夫稳定性理论进行稳定性证明，并得到系统有界稳定的位置跟踪性能且系统所有信号均有界的结果。2.根据权利要求1所述的考虑输入时滞约束的电液伺服系统位置跟踪控制方法，其特征在于，步骤1所述建立电液伺服系统的数学模型，具体步骤如下：步骤1-1，电液伺服系统为双出杆液压缸驱动惯性负载系统，由牛顿第二运动定律得出惯性负载的动态方程为：式(1)中，m为惯性负载的物理质量参数，y为惯性负载的位移量，PL为液压缸两腔压差，A为液压缸腔内的有效活塞面积，B为有效粘性阻尼系数，f(t)为建模误差，其中PL＝P1-P2，P1、P2分别为液压缸左右两腔的油压；假设忽略阀与液压缸的各个连接管道里面的压力损失和管道的内部动态特性；忽略系统的外泄漏影响；液压系统的液压缸进油腔室、回油腔室里面各点处压力分布均匀，均相等；有效体积弹性模量和液压油液的温度为定值；由此可得液压缸内压力动态方程为：式(2)中，βe为液压系统内液压油的有效体积弹性模量，Vt为系统控制腔总容积，Ct为由压力引起的执行器总内泄漏系数，q(t)为模型误差，QL为伺服阀负载流量；由于考虑了实际液压系统中的输入时滞约束，在这种情况下电磁阀位置与控制器输入信号之间存在一定的时滞，即电磁阀实际位置滞后于理论上控制输入的设计位置，此时控制输入与阀芯位置不成正比，由此得出QL：式(3)中，kt为关于控制输入u的总流量增益，Ps为关于回油压力Pr的系统油源进油压力，τ为已知非负常数时滞量，xv代表电磁阀位移；其中sign(xv)为符号函数，其定义为：步骤1-2，定义状态变量为假设未建模项f(t)为连续可微函数，同时根据式(1)、(2)和(3)建立的动态方程，由此系统模型可通过状态空间形式表达为：式(5)中，θ1＝-(4A2βe+4CtBβe)/(mVt)，θ2＝-4A2βe/Vt-B/m，假设各系统参数完全已知，即不存在参数不确定性；为了便于之后控制器设计与系统稳定性分析，在不影响系统控制性能和综合考虑跟踪精度的前提下，作出如下假设：假设1：期望跟踪轨迹x1d充分光滑且满足如下表达式：x1di∈L∞,i＝1,2,3,4(6)假设2：在式(5...

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