本發(fā)明涉及液壓傳動與控制，具體涉及基于實驗辨識的閥控擺動液壓馬達非線性控制系統(tǒng)排量精確獲取方法及其實現(xiàn)系統(tǒng)。本發(fā)明通過實驗辨識手段，在不增加額外傳感器的情況下，精確獲取閥控擺動液壓馬達的排量參數(shù)，從而顯著提升控制系統(tǒng)的精度和穩(wěn)定性。

背景技術(shù)：

1、閥控擺動液壓馬達，又稱擺動液壓缸，是一種特殊的液壓執(zhí)行元件，其輸出軸能夠作往復(fù)擺動(而非連續(xù)回轉(zhuǎn))運動。這種馬達在液壓系統(tǒng)中扮演著重要角色，特別是在需要有限旋轉(zhuǎn)運動且要求大轉(zhuǎn)矩的場合中。閥控擺動液壓馬達控制系統(tǒng)因具有功率密度高、動態(tài)響應(yīng)快的、所需安裝空間小等優(yōu)勢，被廣泛應(yīng)用于特種機器人、港口機械以及航空航天等領(lǐng)域。然而，若要實現(xiàn)閥控液壓馬達的高精度控制，除了需要去克服伺服閥所固有的壓力-流量非線性，還需解決存在于整個系統(tǒng)的參數(shù)不確定和不確定非線性問題。顯然，諸如pid這種線性控制方法無法很好地應(yīng)對上述難題，而基于模型的非線性控制方法卻具有天然的優(yōu)勢。

2、閥控液壓馬達非線性控制系統(tǒng)的排量是關(guān)鍵參數(shù)，在非線性控制方法的設(shè)計過程中扮演重要角色，用于計算負載流量，輸出力矩，控制容積等變量。對于角度和力矩控制系統(tǒng)，特別是對于大幅度和高速運動的工況，獲得馬達的精確排量十分關(guān)鍵。不過，當面對一些無法獲得理論設(shè)計排量的情況，例如：一些改造工程，會造成排量參數(shù)的未知。目前，將馬達排量視為一種參數(shù)不確定進行自適應(yīng)估計是常見的處理方法，通過參數(shù)自適應(yīng)方法去估計馬達排量，再用于閥控擺動液壓馬達控制系統(tǒng)非線性控制方法的設(shè)計。這種方法主要存在以下缺陷：

3、1.在馬達排量完全未知的情況下，加上沒有參數(shù)自適應(yīng)率的設(shè)置準則，不合理的排量收斂速度將限制閥控擺動液壓馬達控制系統(tǒng)的瞬態(tài)控制精度。另外，參數(shù)自適應(yīng)方法還需要去滿足持續(xù)激勵條件，也限制了上述方法的推廣應(yīng)用。

4、2.現(xiàn)有研究方法無法處理擺動液壓馬達控制容積的變化。通過參數(shù)自適應(yīng)，并且滿足持續(xù)激勵條件時，通?？梢缘玫椒€(wěn)態(tài)時的馬達排量。然而，由于馬達的位置變化，控制容積也隨之變化，若應(yīng)用這種方法，在非線性控制方法設(shè)計過程中，用于計算實時控制容積的馬達排量并不是通過參數(shù)自適應(yīng)方法所獲得，而是代入了一個名義值或者直接將其忽略，導(dǎo)致非線性控制方法設(shè)計過程中的不嚴謹。特別在液壓馬達大幅度運動時，控制容積的變化則更加劇烈，造成模型參數(shù)的大幅度變化，如果無法獲得馬達排量的精確值將會大大降低控制精度。另外，現(xiàn)有的參數(shù)自適應(yīng)方法需要滿足激勵條件，也是實際應(yīng)用中的一個限制因素。

5、因此，探索一種新的方法，獲得更為準確的馬達排量，去提高控制精度，就顯得十分必要。

6、需要說明的是，公開于該背景技術(shù)部分的信息僅僅旨在加深對本發(fā)明總體背景技術(shù)的理解，而不應(yīng)當被視為承認或以任何形式暗示該信息構(gòu)成本領(lǐng)域技術(shù)人員所公知的現(xiàn)有技術(shù)。

技術(shù)實現(xiàn)思路

1、本發(fā)明的目的在于提供一種基于實驗辨識的閥控擺動液壓馬達非線性控制系統(tǒng)排量精確獲取方法及其實現(xiàn)系統(tǒng)，該方法能夠在系統(tǒng)正式進入閉環(huán)控制之前，通過實驗手段對馬達排量進行精確辨識，從而克服因排量不確定而導(dǎo)致的控制精度下降問題，提高系統(tǒng)的控制精度和穩(wěn)定性。

2、為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用以下技術(shù)方案：

3、第一方面，本發(fā)明提供基于實驗辨識的閥控擺動液壓馬達非線性控制系統(tǒng)排量精確獲取方法，包括以下步驟：

4、s1系統(tǒng)搭建：構(gòu)建包含液壓動力源、伺服閥、采集元件、閥控擺動液壓馬達和控制器的實驗平臺；

5、s2排量辨識：

6、s21實驗設(shè)置：在開環(huán)控制狀態(tài)下，設(shè)定所述液壓動力源的壓力至預(yù)設(shè)值，啟動控制器；

7、s22數(shù)據(jù)采集：通過控制所述伺服閥的輸入信號，使所述閥控擺動液壓馬達產(chǎn)生可測量的運動或力矩變化；在所述伺服閥輸入信號的作用下，通過所述采集元件實時采集所述閥控擺動液壓馬達的輸出數(shù)據(jù)；

8、s23數(shù)據(jù)處理：根據(jù)采集到的數(shù)據(jù)，結(jié)合所述伺服閥的額定流量或負載壓力，通過計算得到所述液壓馬達的精確排量；

9、s3非線性控制方法設(shè)計：將s2辨識得到的精確排量用于設(shè)計基于模型的非線性控制律中，進行閉環(huán)控制系統(tǒng)的設(shè)計。

10、第二方面，本發(fā)明提供一種閥控擺動液壓馬達非線性控制系統(tǒng)，包括：液壓動力源、伺服閥、擺動液壓馬達、采集元件以及根據(jù)上述第一方面的方法實現(xiàn)的控制器，其中所述控制器利用實驗辨識得到的精確排量，設(shè)計并執(zhí)行非線性控制策略。

11、本發(fā)明的有益效果在于：

12、1.高精度控制：通過實驗辨識獲得的馬達排量精確值，能夠更準確地計算負載流量、輸出力矩和控制容積等變量，從而在設(shè)計非線性控制方法時實現(xiàn)更高的控制精度。

13、2.無需額外元件：無論是角度控制系統(tǒng)還是力矩控制系統(tǒng)，都僅需要原有的編碼器或力矩傳感器即可完成排量辨識，無需增加額外的測量元件，降低了系統(tǒng)復(fù)雜性和成本。

14、3.避免參數(shù)自適應(yīng)的局限：傳統(tǒng)參數(shù)自適應(yīng)方法需要滿足持續(xù)激勵條件，且排量收斂速度可能不合理，影響瞬態(tài)控制精度。本方法在開環(huán)狀態(tài)下進行排量辨識，避免了這些問題。

15、4.提升系統(tǒng)穩(wěn)定性：精確的馬達排量值使得非線性控制方法的設(shè)計更加嚴謹，能夠更好地應(yīng)對系統(tǒng)參數(shù)的變化和不確定非線性問題，提升系統(tǒng)的整體穩(wěn)定性。

技術(shù)特征：

1.基于實驗辨識的閥控擺動液壓馬達非線性控制系統(tǒng)排量精確獲取方法，其特征在于包括以下步驟：

2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，其中步驟s2中的所述液壓動力源的預(yù)設(shè)值為7mpa，但不限于此值，可根據(jù)實際系統(tǒng)需求進行調(diào)整。

3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的方法，其特征在于，其中步驟s2中，對于角度控制系統(tǒng)，伺服閥的輸入信號包括正向非零信號u和負向非零信號-u，每個信號持續(xù)預(yù)定時間t。

4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的方法，其特征在于，步驟s2中，對于角度控制系統(tǒng)，通過編碼器記錄所述液壓馬達的角度變化數(shù)據(jù)，并計算得到角速度，該角速度用于后續(xù)排量的計算。

5.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的方法，其特征在于，其中步驟s2中，對于力矩控制系統(tǒng)，所述伺服閥的輸入信號包括正向非零信號u和負向非零信號-u，持續(xù)時間及幅值根據(jù)系統(tǒng)特性調(diào)整。

6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的方法，其特征在于，步驟s2中，對于力矩控制系統(tǒng)，通過力矩傳感器記錄所述液壓馬達輸出的力矩數(shù)據(jù)，此時所述液壓馬達的馬達軸被夾具靜止工裝固定，角速度和角加速度均為零，所述力矩數(shù)據(jù)可直接用于排量的計算。

7.根據(jù)權(quán)利要求4或6所述的方法，其特征在于，步驟s2中，排量的計算公式根據(jù)具體系統(tǒng)參數(shù)和測量值進行調(diào)整，對于角度控制系統(tǒng)，采用“排量＝(伺服閥額定流量/角速度)×轉(zhuǎn)換因子”，其中轉(zhuǎn)換因子用于將角速度單位從度/秒轉(zhuǎn)換為弧度/秒；對于力矩控制系統(tǒng)，采用“排量＝力矩/負載壓力”。

8.一種閥控擺動液壓馬達非線性控制系統(tǒng)，其特征在于包括：液壓動力源、伺服閥、擺動液壓馬達、采集元件以及根據(jù)權(quán)利要求1至7中任一項所述的方法實現(xiàn)的控制器，其中所述控制器利用實驗辨識得到的精確排量，設(shè)計并執(zhí)行非線性控制策略。

9.根據(jù)權(quán)利要求7所述的控制系統(tǒng)，其特征在于，還包括用于監(jiān)測和調(diào)節(jié)所述液壓動力源壓力的裝置，以確保在實驗辨識過程中動力源壓力保持恒定。

技術(shù)總結(jié)
本發(fā)明涉及液壓傳動與控制技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及基于實驗辨識的閥控擺動液壓馬達非線性控制系統(tǒng)排量精確獲取方法及其實現(xiàn)系統(tǒng)。本發(fā)明在閥控擺動液壓馬達非線性控制系統(tǒng)正式進入閉環(huán)控制之前，在開環(huán)狀態(tài)下通過實驗辨識手段，在不增加額外傳感器的情況下精確獲取閥控擺動液壓馬達的排量參數(shù)，并將獲取的精確排量用于設(shè)計基于模型的非線性控制律中，進行閉環(huán)控制系統(tǒng)的設(shè)計。本發(fā)明的方法能夠有效克服因排量不確定而導(dǎo)致的控制精度下降問題，同時避免了參數(shù)自適應(yīng)方法需要的參數(shù)收斂時間和持續(xù)激勵條件，確保了瞬態(tài)和穩(wěn)態(tài)控制精度，顯著提高系統(tǒng)的控制精度和穩(wěn)定性。

技術(shù)研發(fā)人員：陳興華,劉曉超,盛友偉,高翔
受保護的技術(shù)使用者：北京航空航天大學(xué)寧波創(chuàng)新研究院
技術(shù)研發(fā)日：
技術(shù)公布日：2024/12/30