一种基于扩张状态观测器的非奇异终端滑模气动定位控制方法技术

本发明专利技术提供一种基于扩张状态观测器的非奇异终端滑模气动定位控制方法，适用于对气动系统实现高精度定位控制，该方法包括：对气动系统的定位控制过程进行机理分析，推导出气动系统的数学模型和摩擦力干扰模型；设计跟踪微分器，安排过渡过程提取气动系统输入的跟踪信号和微分信号，滤除输入噪声；设计非奇异终端滑模控制面和控制率，抑制气动系统内部不确定性和外部干扰组成的复合扰动对定位控制的影响；针对滑模控制存在的抖振问题，设计改进滑模变结构扩张状态观测器，用扩张状态观测器估计到的复合扰动作为矫正依据更新非奇异终端滑模控制律，降低控制率中的切换增益和抑制气动系统内部不确定性以达到降低抖振的效果。动系统内部不确定性以达到降低抖振的效果。动系统内部不确定性以达到降低抖振的效果。

【技术实现步骤摘要】
一种基于扩张状态观测器的非奇异终端滑模气动定位控制方法


[0001]本专利技术涉及气动系统定位控制
，具体而言，尤其涉及一种基于扩张状态观测器的非奇异终端滑模气动定位控制方法。

技术介绍

[0002]气动系统因其结构简单、响应速度快、可靠性强、性价比高等优点被广泛应用到冶金、发电、船舶、航天等工业自动化领域。随着气动技术的不断进步，气动系统与计算机技术的结合，使得气动系统向着精密化、小型化和高智能化方向发展。然而，由于空气的可压缩性、气缸内壁的摩擦力和电气滑阀非线性等因素的影响，气动系统本质上仍属于非线性系统，这给气动系统的高精度定位控制带来很大困难。为使气动系统具有更高的控制效能，需要考虑气动系统运行过程中内部不确定性和外部干扰构成的复合扰动，寻求一种等效扰动抑制控制方法。自抗扰控制作为一种新型控制方法，其核心思想是将系统的内部模型不确定性和外部扰动作为系统的总扰动进行实时估计并且进行补偿，但其最主要的非线性扩张状态观测器(ESO)调节参数较多，没有成熟的调节方法因此在实际的工程应用推广中存在困难。
[0003]滑模控制结构简单，不依赖数学模型，鲁棒性强等优点对非线性系统具有较好的控制效果。但在实际的滑模控制中由于各种因素的影响，滑模控制存在高频抖振，这种高频抖振会增加系统的能耗，影响控制的准确性，增加执行器磨损，甚至导致系统不稳定。因此可以将自抗扰控制中的扩张状态观测器引入到气动系统滑模控制器的设计中，提高控制的效能。

技术实现思路

[0004]根据上述提出的技术问题，提供一种基于扩张状态观测器的非奇异终端滑模气动定位控制方法。本专利技术首先对气动系统的运行过程进行机理分析，建立气动系统的数学模型和摩擦力干扰模型；然后设计跟踪微分器安排过渡过程对输入信号进行滤波处理；针对气动系统运行时存在的内部不确定性和外部干扰构成的复合扰动对位置控制精度造成的影响，设计非奇异终端滑模控制器对气动系统运行时的复合扰动进行有效抑制；最后针对非奇异终端滑模控制器存在的抖振问题，引入改进滑模变结构扩张状态观测器对复合扰动进行估计，将估计到的复合扰动作为矫正依据对非奇异终端滑模控制律进行矫正，降低控制律切换增益和抑制气动系统内部不确定性从而抑制抖振。
[0005]本专利技术采用的技术手段如下：
[0006]一种基于扩张状态观测器的非奇异终端滑模气动定位控制方法，包括如下步骤：
[0007]S1、对气动系统的定位控制过程进行机理分析，根据气动系统的运行规律作出假设，推导出气动系统的活塞力平衡方程、气体质量流量方程、滑阀的压力流量方程、滑阀的数学模型，得到气动系统的数学模型和外部扰动中的摩擦力干扰模型；
[0008]S2、设计跟踪微分器，安排过渡过程提取气动系统输入的跟踪信号和微分信号，滤除输入噪声，防止因输入信号突变带来的超调波动；
[0009]S3、气动系统在实际的运行过程中会受到系统内部不确定性和外部扰动组成的复合扰动的影响，设计非奇异终端滑模控制面和控制率，抑制复合扰动对定位控制的影响；
[0010]S4、设计改进滑模变结构扩张状态观测器，用扩张状态观测器估计到的复合扰动作为矫正依据更新非奇异终端滑模控制律，降低控制率中的切换增益和抑制气动系统内部不确定性以达到降低抖振的效果。
[0011]进一步地，所述步骤S1中，得到的气动系统的数学模型，如下所示：
[0012][0013]其中，γ表示比热比，A表示气动执行器横截面积，P
a0
和P
b0
表示气腔中气体的初始气压，M表示活塞与外部负载的总质量，l表示气动执行器的一半行程；f表示粘性阻尼系数；k
u
为电气滑阀流量增益，R表示气体常数，T0表示初始温度，k
a1
和k
b1
表示气体压力流量特性系数；u为控制器输入，y为系统的输出。
[0014]进一步地，所述步骤S1中，得到的外部扰动中的摩擦力干扰模型，如下所示：
[0015][0016]其中，σ0为刚度系数，σ1为阻尼系数，σ2为粘滞系数,z(t)为鬓毛平均形变程度，v(t)为接触面相对速度，v
s
为StriBeck速度，F
c
为库伦摩擦力矩，F
s
为静摩擦力。
[0017]进一步地，所述步骤S2中，设计的跟踪微分器如下所示：
[0018][0019]其中，v1为输入的跟踪值，v2为输入值的微分，最速综合函数fhan(x1,x2,r,h)的形式为：
[0020][0021]其中，r为速度因子，h为积分步长，x1为实际的输入信号，x2为输入信号的一阶导数。
[0022]进一步地，所述步骤S3的具体实现过程如下：
[0023]S31、定义跟踪误差e1＝x1‑
v1，式中x1为输入信号，v1和v2为微分跟踪器的输出值；
[0024]S32、设计非奇异终端滑模面，如下所示：
[0025][0026]其中，β＞0，p和q为正奇数且p＞q，1＜p/q＜2；
[0027]S33、基于设计的非奇异终端滑模面，得到非奇异终端滑模控制率，如下所示：
[0028][0029]其中，f(x)＝a0x1+a1x2，η表示干扰上界，l
d
表示控制增益，表示输入信号的二阶导数。
[0030]进一步地，所述步骤S4的具体实现过程如下：
[0031]S41、利用滑模控制思想，设计改进滑模变结构控制扩张状态观测器，如下：
[0032][0033]其中，z1，z2和z3为气动系统各阶状态变量的估计值，c1和c2为常数，θ(s)为光滑函数，k＞0；
[0034]S42、改进滑模面，引入改进滑模变结构扩张状态观测器的估计值，更新基于改进滑模变结构扩张状态观测器的非奇异终端滑模控制率，如下：
[0035][0036]其中，z2和z3为扩张状态观测器的估计值，sat(s)为饱和函数。
[0037]较现有技术相比，本专利技术具有以下优点：
[0038]1、本专利技术提供的基于扩张状态观测器的非奇异终端滑模气动定位控制方法，首次将基于扩张状态观测器的非奇异终端滑模控制器应用于气动系统的精确定位控制中。
[0039]2、本专利技术提供的基于扩张状态观测器的非奇异终端滑模气动定位控制方法，针对传统自抗扰控制中的非线性扩张状态观测器参数调节困难的问题，利用滑模控制思想设计了改进滑模变结构扩张状态观测器，减少了调节参数，提高了扩张状态观测器对各阶状态变量和复合扰动的观测能力。
[0040]3、本专利技术提供的基于扩张状态观测器的非奇异终端滑模气动定位控制方法，将改进扩张状态观测器与非奇异终端滑模控制器相结合得出基于扩张状态观测器的非奇异终端滑模控制器，一方面降低了非奇异终端滑模控制率中的切换增益以及抑制气动系统内部不确定性，降低了滑模控制的抖振，另一方面由于扩张状态观测器在干扰变化过大时观测能力会呈现逐渐下降的特点，而非奇异终端滑模控制本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于扩张状态观测器的非奇异终端滑模气动定位控制方法，其特征在于，包括如下步骤：S1、对气动系统的定位控制过程进行机理分析，根据气动系统的运行规律作出假设，推导出气动系统的活塞力平衡方程、气体质量流量方程、滑阀的压力流量方程、滑阀的数学模型，得到气动系统的数学模型和外部扰动中的摩擦力干扰模型；S2、设计跟踪微分器，安排过渡过程提取气动系统输入的跟踪信号和微分信号，滤除输入噪声，防止因输入信号突变带来的超调波动；S3、气动系统在实际的运行过程中会受到系统内部不确定性和外部扰动组成的复合扰动的影响，设计非奇异终端滑模控制面和控制率，抑制复合扰动对定位控制的影响；S4、设计改进滑模变结构扩张状态观测器，用扩张状态观测器估计到的复合扰动作为矫正依据更新非奇异终端滑模控制律，降低控制率中的切换增益和抑制气动系统内部不确定性以达到降低抖振的效果。2.根据权利要求1所述的基于扩张状态观测器的非奇异终端滑模气动定位控制方法，其特征在于，所述步骤S1中，得到的气动系统的数学模型，如下所示：其中，γ表示比热比，A表示气动执行器横截面积，P
a0
和P
b0
表示气腔中气体的初始气压，M表示活塞与外部负载的总质量，l表示气动执行器的一半行程；f表示粘性阻尼系数；k
u
为电气滑阀流量增益，R表示气体常数，T0表示初始温度，k
a1
和k
b1
表示气体压力流量特性系数；u为控制器输入，y为系统的输出。3.根据权利要求1所述的基于扩张状态观测器的非奇异终端滑模气动定位控制方法，其特征在于，所述步骤S1中，得到的外部扰动中的摩擦力干扰模型，如下所示：其中，σ0为刚度系数，σ1为阻尼系数，σ2为粘滞系数,z(t)为鬓毛平均形...

【专利技术属性】
技术研发人员：范云生，张茂磊，韩新洁，
申请(专利权)人：大连海事大学，
类型：发明
国别省市：