一种举升液压伺服系统节能及位置跟踪多目标控制方法技术方案

一种举升液压伺服系统节能及位置跟踪多目标控制方法，包括：通过控制比例节流阀实现轨迹跟踪，通过控制电磁换向阀和卸荷溢流阀实现换向、卸荷及流量再生等功能；结合状态观测器和扰动观测器构造混合观测器从而得到状态变量的估计值以及匹配和非匹配扰动的估计值；基于上一步得到的估计值设计鲁棒控制器并设定卸荷溢流阀和电磁换向阀的控制规则；根据公共李亚普诺夫方法对控制器的稳定性进行证明并对系统节能性进行分析。本发明专利技术有别于传统的举升液压伺服控制方法，通过对比例节流阀的控制以及电磁换向阀和卸荷溢流阀的切换使系统同时具有流量再生节能和位置控制功能，在只利用位置传感器的前提下有效解决了流量再生节能和位置跟踪这个多目标问题。

【技术实现步骤摘要】
一种举升液压伺服系统节能及位置跟踪多目标控制方法
本专利技术涉及机电液伺服控制
，具体涉及一种举升液压伺服系统节能及位置跟踪多目标控制方法。
技术介绍
由于电液伺服系统具有功率重量比大、动态响应快、压力、流量可控性好以及可柔性传送动力等突出优点，而被广泛应用于航空、航天、汽车、船舶、和工程机械等领域。随着这些领域的发展和技术水平的不断进步，迫切需要高性能的电液伺服系统作为支撑。而现有的举升电液伺服系统往往只关注跟踪精度的高低，而忽略了其能耗效率，往往造成巨大的能量浪费。针对举升电液伺服系统能耗低的问题，也有一些研究给出了一定的解决方案。采用负载口独立控制可以实现流量再生功能，从而在很大程度上提高系统效率。但是当采用定量泵时，该种系统的进口压力损失仍然很大。另一方面，这种系统需要对至少两个阀进行切换，控制器和系统配置较为复杂。
技术实现思路
本专利技术目的在于提供提出一种控制和配置相对简单，可实现流量再生节能并同时保证跟踪精度的方法，以解决现有技术中存在的问题。为实现上述专利技术目的，本专利技术的技术方案具体如下：一种举升液压伺服系统节能及位置跟踪多目标控制方法，系统结构包括比例节流阀、电磁换向阀、卸荷溢流阀或比例溢流阀，控制方法包括以下步骤：步骤1：建立基于双液压蓄能器的液压伺服系统数学模型；步骤2：根据期望跟踪轨迹以及系统参数的名义值计算理想的液压缸两腔压力和理想的供油压力，进行蓄能器参数设置；步骤3：设置基于理想压力的鲁棒控制器并设定切换阀和卸荷溢流阀的控制规则。进一步的，所述步骤1包括：负载下降阶段的压力动态方程可表示为：其中A1是无杆腔的有效面积，h＝βe/V1，V1是无杆腔的容积，βe是弹性模量，xp是活塞位移，Q1是无杆腔流量，p1是无杆腔压力，Δp代表混合不确定性；负载的动态特性为：其中m是活塞及负载折算到活塞上的质量，A2是有杆腔面积，Bc是阻尼系数，G是物料重力，ΔF是负载扰动；无杆腔流量和控制信号的关系表示为：其中kq，kx是比例节流阀的参数，ρ是油液密度，u是比例节流阀的控制信号，ar＝A2/A1，ΔQ是混合的扰动，Qb是旁路流量，Q2是有杆腔流量；系统状态变量定义为：负载下降阶段时的系统构造为如下状态方程：其中f2(x2)＝hA1x2；负载举升阶段的执行器的压力动态也表示为式(1)；负载的动态特性为：无杆腔流量和控制信号的关系可以表示为：其中Qp是泵的流量；负载举升阶段的系统状态方程表示为：其中f2(x2)＝hA1x2，f3(x2)＝hQp；统一的系统模型为：其中f2(x2)＝hA1x2，进一步的，所述步骤2包括：定义了辅助状态变量相应的匹配扰动扩展为一个新的状态变量，即系统的状态方程改写为：状态变量的估计值定义为估计误差表示为另外扰动的估计值及估计误差定义为状态观测器表示为：其中ω0是控制系数并且同时也是状态观测器的带宽；扰动观测器定义为：其中ε是扰动观测器的增益；定义辅助状态变量为：辅助变量的动态表示为：d1的估计值根据式(13)由χ推导出来；的动态可根据式(10)和式(12)推导出来：如果κ有界，的上界将随着ε变小而变小；根据式(10)和式(11)，状态估计误差表示为：其中，定义ξ＝[ξ1,ξ2,ξ3,ξ4]T，其中是状态估计误差的比例缩放值；式(16)改写为：其中其中，E为Hurwitz矩阵；存在一个合适的矩阵P满足下式：ETP+PE＝-2I(18)因此所提出的状态观测器是稳定的，并且状态估计误差可以由ω0调节；另x3和d2的估计值可以表示为：进一步的，所述步骤3包括：定义滑模面为：其中z1＝x1-xd表示跟踪误差，k1是反馈增益；基于式(9)，对式(20)进行微分得到：x3被当做虚拟输入，其对应的实际输入量α2可表示为：其中α2a是模型补偿项而α2s是系统镇定项k2是反馈增益；定义z3＝x3-α2并将式(22)代入式(21)，则式(21)可表示为：基于式(9)，z3的微分可以表示为：其中是的可计算项，是不可计算项；基于式(19)，实际控制信号可表示为：其中k3是反馈增益；基于式(25)以及式(20)，式(24)可以被改写为：当负载下降时，电磁换向阀处于左位以实现流量再生节能，此时卸荷溢流阀使泵卸荷；当负载提升时，电磁换向阀处于右位，此时卸荷溢流阀不卸荷而充当安全阀。进一步的，还包括步骤4：根据公共李亚普诺夫方法对控制器的稳定性进行验证并对系统节能性进行分析。进一步的，所述步骤4包括：定义公共李亚普诺夫函数为：根据式(21)，(24)，(27)，(16)，(18)和(19)，V的导数可表示为：式(28)可进一步归纳为如下式子：其中ψ是剩余的项，Λ可以通过合理选取控制增益被设计为一个正定矩阵；因此，控制器是稳定的；另一方面，系统在负载下降阶段不需要供能；在负载上升阶段，泵的供油压力取决于系统阻尼而不是一个比较高的预设值；因此，系统具有显著的节能性相比于传统举升液压伺服系统。与现有技术相比，本专利技术的有益技术效果：与传统举升电液伺服控制系统相比，该方法可以在保证跟踪精度的前提下显著提高系统效率；与现有电液伺服系统节能方法相比，该方法结构和控制算法相对简单，且可以实现流量再生功能；与现有基于观测器的非线性控制方法相比，所提出的混合观测器可以同时估计状态变量、匹配扰动、非匹配扰动。附图说明图1为举升液压伺服系统结构简图。图2为举升液压伺服系统节能及位置跟踪多目标控制方法原理示意图。图3为正弦期望信号下状态变量观测值和扰动观测值。图4为方波期望信号下状态变量观测值和扰动观测值。图5为正弦、方波期望信号下所设计控制器和PI控制器跟踪误差对比。图6为正弦、方波期望信号下系统的功率以及传统系统的功率。图7为正弦、方波期望信号下系统的能耗以及传统系统的能耗。1-比例节流阀；2-电磁换向阀；3-卸荷溢流阀/比例溢流阀；4-位移传感器。具体实施方式：下面将结合附图和具体实施例，对本专利技术的技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例仅是本专利技术一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本专利技术中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本专利技术保护的范围。本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种举升液压伺服系统节能及位置跟踪多目标控制方法，系统结构包括比例节流阀、电磁换向阀、卸荷溢流阀或比例溢流阀，其特征在于，控制方法包括以下步骤：/n步骤1：建立基于双液压蓄能器的液压伺服系统数学模型；/n步骤2：根据期望跟踪轨迹以及系统参数的名义值计算理想的液压缸两腔压力和理想的供油压力，进行蓄能器参数设置；/n步骤3：设置基于理想压力的鲁棒控制器并设定切换阀和卸荷溢流阀的控制规则。/n

【技术特征摘要】
1.一种举升液压伺服系统节能及位置跟踪多目标控制方法，系统结构包括比例节流阀、电磁换向阀、卸荷溢流阀或比例溢流阀，其特征在于，控制方法包括以下步骤：
步骤1：建立基于双液压蓄能器的液压伺服系统数学模型；
步骤2：根据期望跟踪轨迹以及系统参数的名义值计算理想的液压缸两腔压力和理想的供油压力，进行蓄能器参数设置；
步骤3：设置基于理想压力的鲁棒控制器并设定切换阀和卸荷溢流阀的控制规则。


2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤1包括：
负载下降阶段的压力动态方程可表示为：



其中A1是无杆腔的有效面积，h＝βe/V1，V1是无杆腔的容积，βe是弹性模量，xp是活塞位移，Q1是无杆腔流量，p1是无杆腔压力，Δp代表混合不确定性；
负载的动态特性为：



其中m是活塞及负载折算到活塞上的质量，A2是有杆腔面积，Bc是阻尼系数，G是物料重力，ΔF是负载扰动；
无杆腔流量和控制信号的关系表示为：



其中kq，kx是比例节流阀的参数，ρ是油液密度，u是比例节流阀的控制信号，ar＝A2/A1，ΔQ是混合的扰动，Qb是旁路流量，Q2是有杆腔流量；
系统状态变量定义为：



负载下降阶段时的系统构造为如下状态方程：



其中f2(x2)＝hA1x2；
负载举升阶段的执行器的压力动态也表示为式(1)；
负载的动态特性为：



无杆腔流量和控制信号的关系可以表示为：



其中Qp是泵的流量；
负载举升阶段的系统状态方程表示为：



其中f2(x2)＝hA1x2，f3(x2)＝hQp；
统一的系统模型为：



其中



f2(x2)＝hA1x2，


3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤2包括：
定义了辅助状态变量相应的匹配扰动扩展为一个新的状态变量，即系统的状态方程改写为：



状态变量的估计值定义为估计误差表示为另外扰动的估计值及估计误差定义为状态观测器表示为：



其中ω0是控制系数并且同时也是状态观测器的带宽；
扰动观测器定义为：



其中ε是扰动观测器的增益；
定义辅助状态变量为：



辅助变量的动态表示为：



d1的估计值根据式(13)...

【专利技术属性】
技术研发人员：王伟平，杜文芳，李倩，高仕恒，袁亚鹏，
申请(专利权)人：江苏师范大学，
类型：发明
国别省市：江苏;32