基于一阶灵敏度迭代补偿的液压驱动单元位置控制方法技术

本发明专利技术提供一种基于一阶灵敏度迭代补偿的液压驱动单元位置控制方法，其包括：S1、根据液压驱动单元位置控制传递框图，建立等效数学模型，获得扩展状态观测方程和预测输出方程；S2、构造用于液压驱动单元位置控制系统的误差实时迭代补偿项；S3、验证在期望轨迹上加入误差实时迭代补偿项后系统的稳定性；S4、根据稳定性验证结果，实现液压驱动单元位置控制系统的稳定控制。本发明专利技术将一阶矩阵灵敏度分析扩展到了控制领域，为解决液压驱动单元位置控制中存在的强非线性和耦合问题提供了新的方案。提出的误差实时迭代补偿控制方法，通过误差迭代的方法解决了补偿项中误差增益系数时变的问题，提升了液压驱动单元位置控制精度和工况自适应性。适应性。适应性。

【技术实现步骤摘要】
基于一阶灵敏度迭代补偿的液压驱动单元位置控制方法


[0001]本专利技术涉及流体传动与控制
，特别涉及一种基于一阶灵敏度迭代补偿的液压驱动单元位置控制方法。

技术介绍

[0002]液压驱动单元具有功重比大，响应速度快，便于高频换向等优点，被广泛应用于航空航天、机器人、船舶、工程机械、特种装备等领域，在现代工业体系中起着关键的作用。然而，由于液压驱动单元存在强非线性、参数时变的特点，且易受外部负载的影响，尤其对于一些复杂工况，仅仅依靠简单的位置闭环控制很难达到较高的控制精度。因此，如何实现液压驱动单元的高精度位置控制成为了国内外学者广泛研究的热点。
[0003]为使液压驱动单元的位置控制具有较高的控制精度，离线补偿控制策略得到了人们的广泛关注，该方法能够大幅提升液压驱动单元位置控制精度，但是对工况改变极其敏感，工况自适应性较差；为了解决该问题，研究人员提出了在线补偿控制策略，利用跟踪误差进行实时补偿，从而提高液压驱动单元在多工况下的位置控制精度，但是其位置控制精度往往不如离线补偿控制策略令人满意；除此之外，在液压驱动单元位置控制里面，由于存在强非线性和状态之间相互耦合的影响，导致很难得出控制参数和输入与输出之间的线性关系，致使在线补偿控制效果不佳；针对该问题，研究人员提出通过非线性求解器求解最优补偿项，但是该方法计算成本较高，难以直接应用到液压驱动单元的位置控制。因此，针对液压驱动单元的高精度位置控制，设计一种高精度、避免非线性和耦合问题的在线补偿控制方法有重要意义。当前有许多研究人员针对液压驱动单元位置控制做了研究，起到了很好的控制效果，但是大部分方法都是针对于线性系统，对于非线性系统大多为一些复杂的控制算法，计算成本较高，且难以解决存在的强非线性和耦合问题，其工程实用性较低。
[0004]综上所述，在液压驱动单元的位置控制中，迫切需要一种基于一阶灵敏度迭代补偿的液压驱动单元位置控制方法。

技术实现思路

[0005]为解决上述问题，本专利技术提供了一种基于一阶灵敏度迭代补偿的液压驱动单元位置控制方法，能够将一阶矩阵灵敏度分析扩展到控制领域，以解决液压驱动单元位置控制中存在强非线性和耦合，导致很难得出输入和参数与输出之间的线性关系等问题；本专利技术提出的误差实时迭代补偿控制方法，通过误差迭代的方法解决了补偿项中误差增益系数时变的问题，提升了液压驱动单元位置控制精度和工况自适应性。
[0006]具体地，本专利技术提供了一种基于一阶灵敏度迭代补偿的液压驱动单元位置控制方法，其具体步骤如下所示：
[0007]S1：根据液压驱动单元位置控制传递框图，建立等效数学模型，得到液压驱动单元位置控制的扩展状态观测方程和预测输出方程，如下所示：
[0008][0009]其中，为扩展状态观测方程状态变量估计值的一阶导数；Q()为扩展状态观测方程；为扩展状态观测方程状态变量的估计值；u为输入信号；y(k+N)为预测输出方程输出值；P()为预测输出方程；x(k)为预测输出方程采样时间kT
s
处的状态变量；T
s
为步长；k为当前采样时刻；N为预测时域范围；
[0010]S2：构造用于液压驱动单元位置控制系统的误差实时迭代补偿项，包括以下子步骤：
[0011]S21：获取液压驱动单元位置控制系统的离散化状态空间方程，根据全微分链式法则，进行一阶泰勒展开，得到输入和误差增益系数τ的灵敏度因子，如下所示：
[0012][0013]其中，S
u
为输入灵敏度因子；S
τ
为误差增益系数τ灵敏度因子；为离散化状态空间方程对状态变量的偏导数；为离散化状态空间方程对输入的偏导数；为离散化状态空间方程对误差增益系数τ的偏导数；
[0014]S22：结合步骤S1中的预测输出方程，根据期望轨迹和预测输出之间的跟踪误差与步骤S21中的输入灵敏度因子S
u
，得到前馈误差补偿项Δx
r
(k+N
p
)，如下所示：
[0015][0016]其中，τ为误差增益系数；Δx
r
(k+N
p
)为前馈误差补偿项；N
p
为控制时域范围；为预测时域内(k+N)T
s
处期望轨迹与预测输出之间的跟踪误差；
[0017]S23：根据前馈误差补偿项Δx
r
(k+N
p
)和误差增益系数灵敏度因子S
τ
，得到迭代误差补偿项如下所示：
[0018][0019]其中，为迭代误差补偿项；为加入前馈误差补偿项后的跟踪误差；S
τ
为误差增益系数灵敏度因子；
[0020]S24：由步骤S22获得的前馈误差补偿项和步骤S23获得的迭代误差补偿项，得到补偿到期望轨迹的误差实时迭代补偿项，如下所示：
[0021][0022]其中，为误差实时迭代补偿项；
[0023]S3：根据前馈误差补偿项Δx
r
(k+N
p
)和迭代误差补偿项验证在期望
轨迹上加入误差实时迭代补偿项后系统的稳定性，判定条件如下所示：
[0024][0025]其中，为加入误差实时迭代补偿项时的跟踪误差；为原始实时迭代补偿项时的跟踪误差；
[0026]S4：根据步骤S3的稳定性验证结果，当步骤S3中判定条件成立时，在期望轨迹加入步骤S24中的误差实时迭代补偿项，实现液压驱动单元位置控制系统的稳定控制。
[0027]优选地，所述步骤S21中液压驱动单元位置控制系统的离散化状态空间方程的获取方法具体如下：
[0028]当前采样时间为kT
s
，步长为T
s
，由差分方程得离散化状态空间方程，如下所示：
[0029][0030]其中，x(k+1)为预测输出方程采样时间(k+1)T
s
处的预测状态变量；x(k)为预测输出方程采样时间kT
s
处的状态变量；A
k
为离散化状态空间方程状态变量系数矩阵；F
k
为离散化状态空间方程状态变量和输入的耦合矩阵；G
k
为离散化状态空间方程输入系数矩阵；u(k)为离散化状态空间方程采样时间kT
s
处输入；Γ
k
为离散化状态空间方程扰动项矩阵；C＝[100]为离散化状态空间方程输出矩阵；
[0031]进一步将液压驱动单元位置控制系统的离散化状态空间方程表示为：
[0032]H
k
＝(x(k+1),x(k),u(k),p
k
)＝0
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(8)
[0033]其中，H
k
为液压驱动单元位置控制系统的离散化状态空间方程；p
k
为液压驱动单元位置控制系统参数向量。
[0034]优选地，所述步骤S22中本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于一阶灵敏度迭代补偿的液压驱动单元位置控制方法，其特征在于：其包括以下步骤：S1：根据液压驱动单元位置控制传递框图，建立等效数学模型，得到液压驱动单元位置控制的扩展状态观测方程和预测输出方程，如下所示：其中，为扩展状态观测方程状态变量估计值的一阶导数；Q()为扩展状态观测方程；为扩展状态观测方程状态变量的估计值；u为输入信号；y(k+N)为预测输出方程输出值；P()为预测输出方程；x(k)为预测输出方程采样时间kT
s
处的状态变量；T
s
为步长；k为当前采样时刻；N为预测时域范围；S2：构造用于液压驱动单元位置控制系统的误差实时迭代补偿项，包括以下子步骤：S21：获取液压驱动单元位置控制系统的离散化状态空间方程，根据全微分链式法则，进行一阶泰勒展开，得到输入和误差增益系数τ的灵敏度因子，如下所示：其中，S
u
为输入灵敏度因子；S
τ
为误差增益系数τ灵敏度因子；为离散化状态空间方程对状态变量的偏导数；为离散化状态空间方程对输入的偏导数；为离散化状态空间方程对误差增益系数τ的偏导数；S22：结合步骤S1中的预测输出方程，根据期望轨迹和预测输出之间的跟踪误差与步骤S21中的输入灵敏度因子S
u
，得到前馈误差补偿项Δx
r
(k+N
p
)，如下所示：其中，τ为误差增益系数；Δx
r
(k+N
p
)为前馈误差补偿项；N
p
为控制时域范围；为预测时域内(k+N)T
s
处期望轨迹与预测输出之间的跟踪误差；S23：根据前馈误差补偿项Δx
r
(k+N
p
)和误差增益系数灵敏度因子S
τ
，得到迭代误差补偿项如下所示：其中，为迭代误差补偿项；为加入前馈误差补偿项后的跟踪误差；S
τ
为误差增益系数灵敏度因子；S24：由步骤S22获得的前馈误差补偿项和步骤S23获得的迭代误差补偿项，得到补偿到期望轨迹的误差实时迭代补偿项，如下所示：
其中，为误差实时迭代补偿项；S3：根据前馈误差补偿项Δx
r
(k+N
p
)和迭代误差补偿项验证在期望轨迹上加入误差实时迭代补偿项后系统的稳定性，判定条件如下所示：其中，为加入误差实时迭代补偿项时的跟踪误差；为原始实时迭代补偿项时的跟踪误差；S4：根据步骤S3的稳定性验证结果，当步骤S3中判定条件成立时，在期望轨迹加入步骤S24中的误差实时迭代补偿项，实现液压驱动单元位置控制系统的稳定控制。2.根据权利要求1所述的基于一阶灵敏度迭代补偿的液压驱动单元位置控制方法，其特征在于：所述步骤S21中液压驱动单元位置控制系统的离散化状态空间方程的获取方法具体如下：当前采样时间为kT
s
，步长为T
s
，由差分方程得离散化状态空间方程，如下所示：其中，x(k+1)为预测输出方程采样时间(k+1)T
s
处的预测状态变量；x(k)为预测输出方程采样时间kT
s
处的状态变量；A
k
为离散化状态空间方程状态变量系数矩阵；F
k
为离散化状态空间方程状态变量和输入的耦合矩阵；G
k
为离散化状态空间方程输入系数矩阵；u(k)为离散化状态空间方程采样时间kT
s
处输入；Γ
k
为离散化状态空间方程扰动项矩阵；C＝[1 0 0]为离散化状态空间方程输出矩阵；进一步将液压驱动单元位置控制系统的离散化状态空间方程表示为：H
k
＝(x(k+1),x(k),u(k),p
k
)＝0
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(8)其中，H
k
为液压驱动单元位置控制系统的离散化状态空间方程；p
k
为液压驱动单元位置控制系统参数向量。3.根据权利要求1所述的基于一阶灵敏度迭代补偿的液压驱动单元位置控制方法，其特征在于：所述步骤S22中的前馈误差补偿项Δx
r
(k+N
p
)，获取方法如下：液压驱动单元位置控制的期望轨迹与预测输出之间的跟踪误差如下所示：e
s
＝x
r
‑
x
p
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(9)其中，e
s
为期望轨迹与预测输出之间的跟踪误差；x
r
为期望轨迹；x
p
为预测输出；预测时域内(k+N)T
s
处期望轨迹与预测输出之间的跟踪误差，如下所示：其中，为预测时域内(k+N)T
s
处的跟踪误差；x
r
(k+N)为预测时域内(k+N)T
s
处期望轨迹；x
p
(k+N)为预测时域内(k+N)T
s
处预测输出；假设控制时域为N
p
<N，根据步骤S1中的预测输出方程得到，在控制时域内(k+N
p...

【专利技术属性】
技术研发人员：佘进波，巴凯先，何小龙，李欣荣，马国梁，王源，刘宁，史亚鹏，俞滨，
申请(专利权)人：燕山大学，
类型：发明
国别省市：