【技术实现步骤摘要】
一种不确定液压位置伺服系统的自适应积分控制方法
[0001]本专利技术涉及液压伺服位置控制
，尤其是一种不确定液压位置伺服系统的自适应积分控制方法。
技术介绍
[0002]液压伺服系统广泛应用于重型车辆主动悬挂、工业机器人、航空航天等自动化装置的高精度位置跟踪。然而，由伺服阀驱动的伺服系统本身具有强非线性特性，以及由工作环境变化引起的时变负载扰动和液压系统内部参数摄动，加上不可避免地建模误差和测量噪声，都严重影响闭环系统的位置跟踪精度及抗干扰性能。
[0003]随着现代控制理论发展，液压伺服系统的控制策略取得了长足发展，例如Backstepping控制、自适应控制，预设性能控制等。在这些方法中，一种通用的、全局无逼近的预设性能状态反馈控制方案(GAPPC)因可以同时保证闭环系统的暂稳态性能且易于工程实现而被广泛应用。然而，将上述连续域算法直接应用于液压伺服控制系统，且为减小稳态误差将预设边界设置较窄时，由于性能边界在稳态阶段依然随指数收敛，当在某一时刻突然出现较大稳态误差，就会导致标准化误差和转换后误差随之增长，若采用固定增益的GAPPC就会形成大控制信号。由于液压伺服控制系统对被控对象的动态响应存在一个采样周期的延迟，故冗余信号的影响只能在下一个周期消除，那么采样频率设置不当就会引发稳态振荡。因此，针对采样频率固定的液压伺服控制系统，控制律应能使控制信号随性能边界缩小而自适应调整，从而实现在稳态阶段较小的误差变化也不至于引起控制输入的显著变化，提高闭环系统稳态性能。
[0004]因此，有必要提
【技术保护点】
【技术特征摘要】
1.一种不确定液压位置伺服系统的自适应积分控制方法，其特征在于：包括以下步骤：步骤1，针对含伺服阀非线性的伺服系统，建立伺服阀驱动非对称作动器位置伺服系统模型；步骤2、设计不确定液压位置伺服系统的自适应积分无逼近控制器；步骤3、调节相关参数以使系统满足控制性能指标。2.根据权利要求1所述的一种不确定液压位置伺服系统的自适应积分控制方法，其特征在于：步骤1中，建立伺服阀驱动非对称作动器位置伺服系统模型的具体内容包括：负载的力平衡方程用如下公式描述：式中，x1和x2是负载位移和速度，m是负载质量，g是负载重力；B是粘性阻尼系数，k
s
是负载的等效弹簧刚度，F＝A1P1‑
A2P2是液压作动器输出的主动力，其中P1、P2是液压缸两腔压力，A1、A2是两腔室活塞的有效面积；F
l
(t)是由外部干扰、未建模摩擦力、负载和油缸杆上的粘性阻尼摩擦力组成的集中非线性项；负载压力动力学描述如下：式中，V
01
，V
02
是活塞处于初始位置时无杆腔和有杆腔容积，并令：V1＝V
01
+A1x1，V2＝V
02
‑
A2x1；是对P1进行求导的导数，是对P2进行求导的导数，C
t
是液压缸内部泄露系数，βe油液弹性模量，Q1是无杆腔供油流量，Q2是有杆腔回油流量；其对应流量连续性方程如下：定义：式中，P
s
为液压站供油压力，P
r
为液压站回油压力，C
d
为节流口的流量系数，ω是滑阀面积梯度，ρ是油液密度，x
v
是伺服阀的阀芯位移；所选用的电液伺服阀固有频率远大于液压缸动力机构固有频率，因此，阀芯位移与输入电流之间的传递函数近似为比例环节，即：x
v
＝K
xv
·
u
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(4)式中，K
xv
表示伺服阀阀芯位移增益，u表示伺服放大器输入电流；针对实际工程应用设计控制器，将上述液压伺服系统的动态特性用状态空间方程来表示；系统输出为y＝x1，选取状态变量为：则系统状态空间方程表示如式(5)：
为简化状态空间方程，引入常值参数A，V
t
，R来分别代替A1，A2和V1，V2和R1(P1,u)，R2(P2,u)，并令K
v
＝K
q
K
xv
R；并引入q(t)作为一个未知函数用以表示由上述状态空间方程的简化过程带来的建模误差以及伺服阀建模不确定项和时变参数摄动；则上述状态空间方程被重定义为式(6)，即为伺服阀驱动非对称作动器位置伺服系统模型：3.根据权利要求2所述的一种不确定液压位置伺服系统的自适应积分控制方法，其特征在于：伺服阀驱动非对称作动器位置伺服系统模型(6)中的未建模动态F
l
(t)是连续分段可导的，且满足局部Lipschitz条件。4.根据权利要求3所述的一种不确定液压位置伺服系统的自适应积分控制方法，其特征在于：步骤2中，设计不确定液压位置伺服系统的自适应积分无逼近控制器和控制律u包括以下步骤：2.1将伺服阀驱动非对称作动器位置伺服系统模型(6)坐标变换成Brunovsky标准型；2.2构建快速滑模微分器；2.3设计自适应积分无逼近控制器；2.4验证系统稳定性。5.根据权利要求4所述的一种不确定液压位置伺服系统的自适应积分控制方法，其特征在于：步骤2.1中，具体包括以下内容：对于含有未建模动态和未知干扰的伺服阀驱动非对称作动器位置伺服系统模型(6)，当其满足假设：未建模动态F
l
(t)是连续分段可导的，且满足局部Lipschitz条件时，即能够将具有严格反馈形式的伺服阀驱动非对称作动器位置伺服系统模型(6)通过坐标变换转换为Brunovsky标准型系统(7)：
其中，z1,z2,z3为转换后系统的新状态变量且z1＝x1；将转换过程中未知非线性动态和建模误差合并为一项；转换后系统的新状态变量是x1的各阶导数，分别对应系统的位移、速度和加速度；针对转换后的Brunovsky标准型系统(7)进行全局无逼近控制器设计，即不用任何神经网络类逼近器或扰动观测器对进行处理，且为易于工程应用，只通过位移传感器对Brunovsky标准型系统(7)中状态z1＝x1进行直接测量，速度量通过精度较高的4阶Runge
‑
Kutta法进行计算，加速度信号则利用快速滑模微分器来观测。6.根据权利要求4所述的一种不确定液压位置伺服系统的自适应积分控制方法，其特征在于：所述步骤2.2中，具体包括以下步骤：首先采用Fal函数滤波器对系统输出z1进行滤波，其滤波结构为：其中，y为系统输出信号，y0为经过滤波器滤波的输出量，k
f
为比例系数；然后，通过4阶Runge
‑
Kutta法求解速度量，对应表达式为：Kutta法求解速度量，对应表达式为：式中，上标k代表第k次迭代，h为采样频率；最后，利用一阶快速滑模微分器来观测加速度信号，其结构如下：其中，分别为一阶快速滑模微分器对Brunovsky标准型系统(7)中状态变量z2、z3的估计值，q、p为Terminal吸引子设计参数，且有如下引理：引理1假设速度量z2＝z
20
+ξ(t)，其中，z
20
为原始速度信号，ξ(t)为噪声信号；令则在Filippov意义下，快速滑模微分器(11)的误差系统为：
一阶快速滑模微分器误差系统(10)对任意给定初始状态σ
i
(0)，i＝0，1，若干扰ξ(t)∈[
‑
ι，ι]，的Lipschitz常数具有上界L>0且则总存在一组正数λ
i
＝λ
i,1
+λ
i,2
，使系统(12)是Lyapunov稳定的，且σ
i
收敛至一包含原点的闭球B
i
内，收敛过程振荡衰减且闭球半径满足：其中，Λ
i
＝(λ
1,1
+λ
1,2
)
2p/q
(λ
0,1
+λ
0,2
)2×…
(λ
i,1
+λ
i,2
)
2/(1
‑
i)
，Θ
i
＝(λ
i
‑
1,1
+λ
i
‑
1,2
)
i/(2
‑
i)
(λ
i
‑
2,1
+λ
i
‑
2,2
)
(i
‑
1)/(3
‑
i)
×
(λ
0,1
+λ
0,2
)，Ξ
i
＝2(λ
i
‑
1,1
+λ
i
‑
1,2
)
×…
(λ
0,1
+λ
0,2
)。7.根据权利要求4所述的一种不确定液压位置伺服系统的自适应积分控制方法，其特征在于：所述步骤2.3中，具体包括以下步骤：在PPC控制中，对系统跟踪误差暂稳态性能的约束是通过预设性能函数(PPF)ρ(t)实现的，其数学表达式为：其中，ρ(t)＝(ρ0‑
ρ
∞
)e
‑
αt
+ρ
∞
，而ρ0，ρ
∞
和α的设定直接决定了误差暂稳态性能边界；实现跟踪误差从约束空间到无约束空间的对等转换是PPC控制的重点，需要定义一个能够进行同胚映射的误差变换函数，其中f
tran
(ε):(
‑
1,1)
→
R，ε
→
R为转换后误差，使得：e(t)＝ρ(t)f
tran
(ε)
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(15)一般选取光滑严格递增的函数f
tran
(ε)为：并根据f
tran
(ε)特征定义标准化误差：则基于ρ(t)>ρ
∞
>0以及f
tran
(ε)是递增的，则存在f
tran
(ε)的反函数为：转换后误差式(18)应用于整个控制器设计；GAPPC的控制器是通过f
tran
‑1(λ)和固定控制增益基于类比例控制构造的，由式(16)知，控制器性能与标准化误差λ(t)的收敛性直接相关；根据GAPPC以及Brunovsky标准型系统(7)中各变量间的定义，将级联Brunovsky标准型系统(7)重构为：其中，首先，选择跟踪误差的PPF：ρ1(t)＝(ρ
10
‑
ρ
1∞
)e
‑
α1
×
t
+ρ
1∞
，使其满足需要在实际系统能达到的最大精度以内(3)
收敛速率α1的选择需考虑液压执行机构对控制输入信号的限制，不能任意大；然...
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