双出杆液压缸位置伺服系统的自抗扰鲁棒控制方法技术方案

本发明专利技术公开了一种双出杆液压缸位置伺服系统的自抗扰鲁棒（RISEESO）控制方法，该方法将基于扩张状态观测器(ESO)的干扰补偿与误差符号积分鲁棒(RISE)相结合，运用Lyapunov稳定性理论证明了系统渐近稳定的结果。所提策略将干扰抑制方法（RISE）与干扰估计补偿方法有效结合，继承了两种方法所特有的优点同时避免了各自的缺点。所公开的控制方法具有如下优点：相比传统ESO方法，RISE的使用使得ESO的观测负担得以降低，进一步减小了观测器残差；相比于传统的RISE方法，ESO的使用使得RISE的非线性鲁棒增益仅需要与状态观测误差一二阶导数相关、削弱了其原先的严苛条件；所提控制器的跟踪性能在相同条件下均比RISE与ESO更加优秀。

【技术实现步骤摘要】
双出杆液压缸位置伺服系统的自抗扰鲁棒控制方法
本专利技术涉及电液伺服控制技术，具体涉及一种双出杆液压缸位置伺服系统的自抗扰鲁棒控制方法。
技术介绍
液压位置伺服系统凭借其功率密度大，力/转矩输出大，抗负载刚性强等特性，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。然而，液压系统固有的非线性特性及各种建模不确定性使得其控制器的设计复杂化。起初大量研究基于线性控制理论对液压系统进行控制器的设计，如PID控制器，但是线性控制器的设计是基于线性化的液压系统模型，不能反映其非线性的特性，因此不能获得很好的控制效果。反馈线性化控制可在控制器的设计中实时补偿液压系统的非线性特性，但是要求系统模型信息完全已知，与实际应用不符。自抗扰控制(ADRC)由于其需要模型信息较少且可以获得优异的控制性能使其得到了广泛的应用，其特点是采用了一个扩张状态观测器(ESO)将系统的集成扰动扩张为一个新的状态变量，将观测的扰动通过前馈补偿的方式作用于系统以提高控制性能。为了使非线性ESO在实施中得以简化，线性ESO得以提出，在实际控制中，其仅有一个参数需要调节，因此大大方便了控制器设计与设备调试过程，且理论证明表明状态估计误差随着观测器带宽的增大而单调减小。在系统的未建模动态较大时，为了使控制精度提升，必须提高观测器的带宽，然而，过大的带宽会放大系统噪声甚至使系统不稳定。误差符号积分鲁棒(RISE)控制方法也可以有效地处理建模不确定性的问题，其包含一个独特的误差符号积分鲁棒项，可以在系统干扰足够平滑有界的情况下获得渐进稳定的跟踪性能。但是该控制方法所设计的控制器中的非线性鲁棒增益的取值需要满足一定的条件，该条件跟系统的建模不确定性对时间的一阶导数和二阶导数的上界密切相关，当系统未建模动态较大时，为了使得控制性能得以优化，必须取较大的反馈增益，同样，这也会使得系统有震荡的风险。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提供一种强抗扰、跟踪性能高的双出杆液压缸位置伺服系统的自抗扰鲁棒控制方法，可以使得双出杆液压缸位置伺服系统拥有较大干扰时仍然保持优秀的控制性能。实现本专利技术目的的技术解决方案为：一种双出杆液压缸位置伺服系统的自抗扰鲁棒控制方法，包括以下步骤：步骤1，建立双出杆液压缸位置伺服系统的数学模型；步骤2，根据上述双出杆液压缸位置伺服系统的数学模型设计自抗扰鲁棒控制器；步骤3，所述运用李雅普诺夫稳定性理论对双出杆液压缸位置伺服系统进行稳定性证明，并运用Barbalat引理得到系统能够达到渐进稳定的结果。本专利技术与现有技术相比，其显著优点是：将基于干扰抑制(RISE)与干扰估计补偿(ESO)有效结合，RISE的使用进一步减小了ESO的估计残差，使得控制性能得到提升，同时，改进后RISE的非线性鲁棒反馈增益项仅与状态估计误差的导数相关，比原先的条件更容易满足，控制器跟踪性能相比传统RISE与ESO都有了改进。仿真结果验证了其有效性。附图说明图1是本专利技术双出杆液压缸位置伺服系统的原理图。图2是双出杆液压缸位置伺服系统的自抗扰鲁棒控制(RISEESO)方法原理示意图。图3是双出杆液压缸位置伺服系统期望跟踪的指令信号随时间变化的曲线图。图4是Case1中RISEESO控制器、RISE控制器、ESO控制器、PID控制器的跟踪性能对比曲线图。图5是Case1中RISEESO控制器作用下系统的控制输入示意图。图6是Case2中RISEESO控制器、RISE控制器、ESO控制器、PID控制器的跟踪性能对比曲线图。图7是Case2中RISEESO控制器作用下系统的控制输入示意图。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。本专利技术基于传统的RISE控制方法，利用ESO估计系统的未建模动态并进行前馈补偿，RISE的使用使得ESO的观测负担得以降低，进一步降低ESO的估计误差，ESO的使用使得RISE的非线性鲁棒增益不需要与系统建模不确定性的一阶导数和二阶导数的上界相关，仅需要与状态观测误差一二阶导数相关，当ESO的状态估计误差通过调节带宽得以保证时，此条件相比前者更容易得到满足。最后运用李雅普诺夫稳定性理论对双出杆液压缸位置伺服系统进行稳定性证明，得到系统可以达到渐进稳定的结果。结合图1～2，本专利技术双出杆液压缸位置伺服系统的自抗扰鲁棒控制方法，包括以下步骤：步骤1，建立双出杆液压缸位置伺服系统的数学模型；步骤1-1、本专利技术所考虑的双出杆液压缸位置伺服系统是通过伺服阀控制的双出杆液压缸驱动惯性负载；因此，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为液压缸两腔压差；A为液压缸活塞有效截面面积；B为粘性摩擦系数；f(t)是其他未建模干扰；y为惯性负载的位移；t为时间变量；忽略液压缸的外泄漏，则液压缸两腔压差的动态方程为：式(2)中Vt为液压缸两腔总控制容积；βe为有效油液弹性模量；Ct为内泄漏系数；Q(t)为复杂的内泄漏过程、未建模的压力动态等引起的建模误差；QL＝(Q1+Q2)/2为负载流量，且Q1和Q2分别为液压缸的进油腔流量和回油腔流量；QL与伺服阀位移xv的关系为：式(3)中伺服阀流量增益系数符号函数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，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，ki是正的电气常数，u为控制输入电压；故式(3)可以写成式(5)中kt＝kqki代表总的流量增益；步骤1-2、假设未建模动态项f(t)连续可微，定义状态变量：则双出杆液压缸位置伺服系统的状态方程为：式(6)中在式(6)中，我们定义了一个新的变量U来代表系统的控制输入，由于实际系统中安装有压力传感器，因此该项可以实时计算得出，只要U确定，那么实际的控制输入u也能得以计算；因此，以下控制器设计将聚焦于提出一种自抗扰鲁棒控制器U来掌控系统的各种干扰；为了简化双出杆液压缸位置伺服系统系统状态方程显示格式，记θ＝[θ1,...,θ3]T为系统参数的已知名义值,θr＝[θ1r,...,θ3r]T为系统参数的真实值，其中，则式(6)可写成式(8)中，双出杆液压缸位置伺服系统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：双出杆液压缸位置伺服系统参考指令信号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；液压系统在正常工况下本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种双出杆液压缸位置伺服系统的自抗扰鲁棒控制方法，其特征在于，包括以下步骤：/n步骤1，建立双出杆液压缸位置伺服系统的数学模型；/n步骤2，根据上述双出杆液压缸位置伺服系统的数学模型设计自抗扰鲁棒控制器；/n步骤3，所述运用李雅普诺夫稳定性理论对双出杆液压缸位置伺服系统进行稳定性证明，并运用Barbalat引理得到系统能够达到渐进稳定的结果。/n

【技术特征摘要】
1.一种双出杆液压缸位置伺服系统的自抗扰鲁棒控制方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1，建立双出杆液压缸位置伺服系统的数学模型；
步骤2，根据上述双出杆液压缸位置伺服系统的数学模型设计自抗扰鲁棒控制器；
步骤3，所述运用李雅普诺夫稳定性理论对双出杆液压缸位置伺服系统进行稳定性证明，并运用Barbalat引理得到系统能够达到渐进稳定的结果。


2.根据权利要求1所述的双出杆液压缸位置伺服系统的自抗扰鲁棒控制方法，其特征在于，步骤1中建立双出杆液压缸位置伺服系统的数学模型，具体如下：
步骤1-1、考虑双出杆液压缸位置伺服系统是通过伺服阀控制的双出杆液压缸驱动惯性负载；
因此，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为液压缸两腔压差；A为液压缸活塞有效截面面积；B为粘性摩擦系数；f(t)是其他未建模干扰；y为惯性负载的位移；t为时间变量；
忽略液压缸的外泄漏，则液压缸两腔压差的动态方程为：



式(2)中Vt为液压缸两腔总控制容积；βe为有效油液弹性模量；Ct为内泄漏系数；Q(t)为复杂的内泄漏过程、未建模的压力动态引起的建模误差；QL＝(Q1+Q2)/2为负载流量，且Q1和Q2分别为液压缸的进油腔流量和回油腔流量；QL与伺服阀位移xv的关系为：



式(3)中，伺服阀流量增益系数符号函数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，Pr为回油压力；
假设采用高响应的伺服阀，阀芯位移与控制输入近似为比例环节，即xv＝kiu，ki是正的电气常数，u为控制输入电压，故式(3)写成



式(5)中kt＝kqki代表总的流量增益；
步骤1-2、假设未建模动态项f(t)连续可微，定义状态变量：



则双出杆液压缸位置伺服系统的状态方程为：



式(6)中



为了简化双出杆液压缸位置伺服系统状态方程显示格式，记θ＝[θ1,...,θ3]T为系统参数的已知名义值,θr＝[θ1r,...,θ3r]T为系统参数的真实值，其中，则式(6)写成



式(8)中，
双出杆液压缸位置伺服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：双出杆液压缸位置伺服系统参考指令信号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；液压系统在正常工况下工作，即P1和P2都小于供油压力Ps，且|PL|也小于Ps；因此可知总是有界的，那么只要所设计的U有界即可以保证真实的控制输入u有界；
假设2：双出杆液压缸位置伺服系统总的干扰足够光滑，使得均存在并有界，即：



式(9)中δ1,δ2均为未知正常数，即具有不确定的上界。


3.根据权利要求1所述的双出杆液压缸位置伺服系统的自抗扰鲁棒控制方法，其特征在于，步骤2所述设计自抗扰鲁棒控制器，步骤如下：
步骤2-1、基于扩张状态观测器的干扰补偿设计：
将集成扰动扩张为一个额外的状态变量，即记h(t)为的一阶导数，则式(8)写为：



由于h(t)为的一阶导数，由式(9)得：

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