基于扰动补偿的单出杆电液伺服系统渐近跟踪控制方法-k8凯发

本发明涉及机电液伺服控制，特别是一种基于扰动补偿的单出杆电液伺服系统渐近跟踪控制方法。

背景技术：

1、电液伺服系统是一种由电信号处理装置和液压动力机构组成的反馈控制系统，最常见的有电液位置伺服系统、电液速度控制系统和电液力(或力矩)控制系统。电液伺服系统由于具有功重比大、动态响应速度快等优点，广泛应用于工业、工程等重要领域。

2、电液伺服系统存在大量的非线性因素，如伺服阀压力/流量非线性、压力动态非线性、摩擦非线性等，逐渐成为限制系统性能提升的瓶颈因素。除此之外，电液伺服系统还会受到外干扰等扰动的影响。由于上述因素的存在，导致电液伺服系统的高精度控制具有很大的挑战性。

3、目前针对解决电液伺服系统模型不确定性的先进控制策略，主要有自适应鲁棒控制、鲁棒自适应控制、自抗扰自适应控制、渐近跟踪控制等方法。渐近跟踪控制方法是对于给定的某一连续信号yr(t)，控制输出y(t)，满足limt→∞|y(t)-yr(t)|＝0，从而解决系统模型中存在的不确定性。面对系统受到的扰动的处理办法主要采用扰动补偿的方法，其原理在于扰动进入被控对象的同时也进入被控对象的控制器，两个通道-方向维持近似不变，但作用是相反的，可以相互抵消，最终使得被控对象的输出不受扰动影响。

4、现有电液伺服系统的控制技术的还存在以下不足之处：

5、(1)当考虑电液伺服系统存在的各种模型不确定时，现有大多数闭环控制器仅能确保闭环系统获得有界跟踪性能，而难以获得渐近跟踪性能；

6、(2)现有控制策略大多是针对双出杆类型的液压缸或者液压马达这类非线性因素不太突出的执行器，而针对非线性摩擦、非线性泄漏、伺服阀流量等非线性因素突出的单出杆电液伺服系统控制的研究较少。

技术实现思路

1、本发明的目的在于提供一种跟踪精确度高的基于扰动补偿的单出杆电液伺服系统渐近跟踪控制方法，从而精确补偿系统遭受的各种模型不确定性，保证位置输出能精确地跟踪期望的位置指令。

2、实现本发明目的的技术凯发k8ag旗舰厅真人平台的解决方案为：一种基于扰动补偿的单出杆电液伺服系统渐近跟踪控制方法，包括以下步骤：

3、步骤1、建立单出杆电液伺服系统的数学模型，确定控制目标；

4、步骤2、构建具有渐近估计性能的扰动观测器，对单出杆电液伺服系统中的非匹配与匹配的扰动进行估计；

5、步骤3、构建基于扰动补偿的单出杆电液伺服系统位置渐近跟踪控制器；

6、步骤4、调节扰动观测器、位置渐近跟踪控制器中设计参数的值，使单出杆电液伺服系统的位置输出精确地跟踪期望的位置指令。

7、进一步地，步骤1中，建立单出杆电液伺服系统的数学模型，确定控制目标，具体如下：

8、步骤1.1、建立单出杆电液伺服系统的数学模型；

9、设定系统状态变量为其中m为负载的质量、y为负载的位移、p1为液压缸无杆腔的油压、p2为液压缸有杆腔的油压、a1为液压缸无杆腔的有效作用面积、a2为液压缸有杆腔的有效作用面积，则系统非线性模型的状态空间形式为：

10、

11、

12、

13、式中，u为系统的控制输入电压，系统遭受的非匹配扰动匹配扰动以及引入的辅助函数kq(p1,p2)的表达式如下所示：

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17、

18、

19、式中，v1为液压缸无杆腔的容积，v2为液压缸有杆腔的容积；βe为液压油弹性模量；q1为由伺服阀进入液压缸无杆腔的液压流量，q2为由液压缸有杆腔进入伺服阀的液压流量；为与系统状态有关的未知函数不确定性，δ1(t)、p1(t)、p2(t)为时变外干扰；为伺服阀的流量增益，其中cq1为无杆腔伺服阀节流孔流量系数，cq2为有杆腔伺服阀节流孔流量系数，wq1为无杆腔节流孔面积梯度，wq2为有杆腔节流孔面积梯度，ρo为液压油的密度；kq1为无杆腔伺服阀阀芯位移流量增益，kq2为有杆腔伺服阀阀芯位移流量增益；s(u)＝(1 tanh(ksu))/2，tanh(·)为双曲正切函数，ks为正常数；ps为系统的油源压力，pr为回油压力；

20、步骤1.2、确定控制目标；

21、针对单出杆液压缸执行器伺服系统，设计单出杆电液伺服系统位置渐近跟踪控制方法，在系统受到非匹配与匹配扰动的工况下，补偿系统受到的扰动，同时使系统的输出跟踪期望的光滑指令

22、进一步地，步骤1.1中，系统遭受的未知函数扰动的一阶导数存在，且以及二者的一阶导数均有界。

23、进一步地，步骤1.2中，系统期望跟踪的指令信号是一阶连续可导的，且及其一阶导数都是有界的。

24、进一步地，步骤2中，构建具有渐近估计性能的扰动观测器，对单出杆电液伺服系统中的非匹配与匹配的扰动进行估计，具体如下：

25、将分别扩张为冗余状态，即令冗余状态以及冗余状态根据扩张后的结果及系统非线性模型的状态空间形式，构建扰动观测器为：

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28、式中，代表·的估计值；βo2和βo3为可调的正增益，sgn(·)为符号函数；

29、的计算公式为：

30、

31、

32、式中，变量·j中的下标j取值为2、3；λj为正常数，同时ηj定义为其中表示·的估计误差。

33、进一步地，步骤3中，构建基于扰动补偿的单出杆电液伺服系统位置跟踪控制器，具体如下：

34、步骤3.1、定义为系统的跟踪误差，并定义e2和e3为：

35、

36、式中，v1f和v2f分别为虚拟控制律v1和v2的滤波值；

37、步骤3.2、定义矢量ε＝[ε1,ε2,ε3]t＝[e1-ζ1,e2-ζ2,e2-ζ3]t，其中ζi表示补偿信号；

38、步骤3.3、设计虚拟控制律v1、v2以及实际控制律u为：

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40、

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42、进一步地，步骤3.1中，v1f和v2f通过以下滤波器得到：

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45、式中，lc(j-1)为可调节正设计参数；ξj-1＝vj-1–v(j-1)f表示为滤波误差；δj-1(t)＞0并且满足为正常数；σj-1为的上界，更新律为：

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47、式中，rj-1为可调整的正增益。

48、进一步地，步骤3.2中，补偿信号ζi由以下辅助系统产生：

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50、

51、

52、式中，k1、k2、k3为可调的正增益。

53、进一步地，针对不确定非线性系统，采用步骤2中构造的渐近扰动观测器，则步骤3所构建的位置跟踪控制器能保证系统所有信号都是有界的，当t→∞时e1→0并且其中表示·的估计误差。

54、进一步地，步骤4中，调节扰动观测器、位置跟踪控制器中参数的值，具体如下：

55、调节参数k1、k2、k3、βo2、βo3、lc1、lc2、λ2、λ3、r1、r2的值，使单出杆电液伺服系统的位置输出准确地跟踪期望的位置指令其中k1、k2、k3、βo2、βo3、lc1、lc2、λ2、λ3、r1、r2的值均大于0。

56、与现有技术相比，本发明的显著优势在于：(1)本发明所设计的基于扰动补偿的渐近跟踪控制策略，在构造出一种具有扰动渐近估计性能的扰动观测器的基础上，能够精确补偿系统遭受的各种模型不确定性；(2)能够获得渐近跟踪性能，保证单出杆电液伺服系统的位置输出能精确地跟踪期望的位置指令。