本申請(qǐng)涉及液壓伺服控制，特別是涉及一種針對(duì)閥控液壓伺服系統(tǒng)中伺服閥零偏問(wèn)題的辨識(shí)與補(bǔ)償方法，旨在提高液壓位置閉環(huán)系統(tǒng)的控制精度和穩(wěn)定性。

背景技術(shù)：

1、液壓伺服系統(tǒng)，特別是閥控形式的液壓伺服系統(tǒng)具有功率密度高、動(dòng)態(tài)響應(yīng)快等優(yōu)勢(shì)，被廣泛應(yīng)用于航空航天、機(jī)器人、材料成型機(jī)械等高端設(shè)備。然而，在閥控液壓伺服系統(tǒng)中，伺服閥所固有的壓力-流量非線性，以及存在于整個(gè)系統(tǒng)的參數(shù)不確定和不確定非線性，將會(huì)導(dǎo)致控制精度的嚴(yán)重降級(jí)。

2、針對(duì)零開(kāi)口伺服閥流量系數(shù)不確定的問(wèn)題，此處流量系數(shù)是指在空載條件下與伺服閥閥芯單位位移相對(duì)應(yīng)的流量。傳統(tǒng)上，流量系數(shù)可以理解為一個(gè)理想值，不過(guò)，由于在加工或安裝過(guò)程中的誤差，零開(kāi)口伺服閥在出廠時(shí)總是存在一定的零偏。另外，隨著工作時(shí)間的增加，磨損和沖蝕也會(huì)導(dǎo)致伺服閥閥口由初始的銳角變成圓角，致使流量系數(shù)變成了一個(gè)未知的值。目前，將伺服閥的零偏直接忽略或者將其視為一種流量參數(shù)不確定進(jìn)行自適應(yīng)估計(jì)是常見(jiàn)的處理方法。對(duì)于前者，現(xiàn)有閥控液壓伺服系統(tǒng)將伺服閥零偏作忽略處理，認(rèn)為其足夠小，不足以對(duì)整個(gè)系統(tǒng)的正常工作造成本質(zhì)上的影響。事實(shí)上，對(duì)于一些長(zhǎng)時(shí)間工作的液壓伺服設(shè)備，伺服閥零偏會(huì)隨著工作時(shí)間的增加而逐漸增大。目前，也還并還沒(méi)有研究指出零偏增大到何種程度會(huì)對(duì)整個(gè)系統(tǒng)的正常工作。因此，對(duì)于現(xiàn)有的液壓位置閉環(huán)系統(tǒng)非線性控制方法來(lái)說(shuō)，當(dāng)伺服閥零偏增大后，將其忽略顯然是不合理的。對(duì)于后者，由于參數(shù)估計(jì)的收斂速度和系統(tǒng)穩(wěn)定性之間存在固有的矛盾，很難同時(shí)滿足超調(diào)量和調(diào)節(jié)時(shí)間兩項(xiàng)指標(biāo)，主要存在以下缺陷：

3、1.對(duì)于一些大功率的閥控液壓伺服系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，伺服閥額定流量較大，很小的零偏就將產(chǎn)生很大的流量偏差，若采用現(xiàn)有的方法，控制器需要調(diào)整的時(shí)間相對(duì)過(guò)長(zhǎng)，進(jìn)而造成綜合控制精度的降低。另外，將零偏作為流量參數(shù)不確定時(shí)，收斂速度并沒(méi)有一個(gè)設(shè)置準(zhǔn)則，會(huì)給調(diào)試過(guò)程帶來(lái)極大的苦難；

4、2.將伺服閥零偏視為流量系數(shù)不確定、并增加該參數(shù)的自適應(yīng)速率在一定程度上可以幫助加快流量系數(shù)的收斂速度，能在一定程度達(dá)到提高控制精度的目的，不過(guò)這也大大增加了系統(tǒng)不穩(wěn)定的風(fēng)險(xiǎn)，并不值得推薦。另外，參數(shù)自適應(yīng)通常還需要滿足持續(xù)激勵(lì)的條件，也會(huì)限制其適用性；

5、3.除了在控制精度、系統(tǒng)穩(wěn)定性和需要持續(xù)激勵(lì)這三方面的不足外，現(xiàn)有的方法還可能面臨一定程度的安全隱患。對(duì)于一些閥控液壓伺服系統(tǒng)而言，由于零偏的存在，在系統(tǒng)還未進(jìn)入閉環(huán)控制之前，就會(huì)有流量通過(guò)伺服閥流入執(zhí)行機(jī)構(gòu)，若未及時(shí)發(fā)現(xiàn)并處理，將造成執(zhí)行機(jī)構(gòu)內(nèi)的壓力升高，最高可以達(dá)到系統(tǒng)壓力的結(jié)果，具有潛在的安全隱患。

6、需要說(shuō)明的是，公開(kāi)于該背景技術(shù)部分的信息僅僅旨在加深對(duì)本發(fā)明總體背景技術(shù)的理解，而不應(yīng)當(dāng)被視為承認(rèn)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(shí)現(xiàn)思路

1、本發(fā)明的目的在于提供一種基于伺服閥零偏辨識(shí)補(bǔ)償?shù)囊簤何恢瞄]環(huán)系統(tǒng)非線性控制方法及其實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)，該方法通過(guò)精確辨識(shí)伺服閥的零偏信號(hào)并將其引入控制律進(jìn)行補(bǔ)償，從而提高系統(tǒng)的綜合控制精度和穩(wěn)定性，以克服現(xiàn)有技術(shù)的缺陷。

2、為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用以下技術(shù)方案：

3、第一方面，本申請(qǐng)?zhí)峁┗谒欧y零偏辨識(shí)補(bǔ)償?shù)囊簤何恢瞄]環(huán)系統(tǒng)非線性控制方法，包括以下步驟：

4、s1伺服閥零偏信號(hào)的辨識(shí)：采用pid控制方法采用對(duì)液壓位置閉環(huán)系統(tǒng)進(jìn)行零位伺服控制，記錄此時(shí)的伺服閥控制輸入信號(hào)；根據(jù)零位控制精度判斷伺服閥零偏信號(hào)的準(zhǔn)確性，若跟蹤誤差不大于預(yù)設(shè)的閾值，則記錄當(dāng)前伺服閥控制輸入作為零偏信號(hào)；若跟蹤誤差小于閾值，則調(diào)整pid控制參數(shù)后重復(fù)s1，直至滿足精度要求；

5、s2基于模型的非線性控制設(shè)計(jì)：設(shè)計(jì)基于系統(tǒng)模型的非線性控制律，在控制律的推導(dǎo)過(guò)程中引入s1已辨識(shí)的伺服閥零偏信號(hào)作為前饋補(bǔ)償項(xiàng)，對(duì)控制輸入進(jìn)行零偏補(bǔ)償，得到總控制輸入信號(hào)。

6、進(jìn)一步的，所述s1的伺服閥零偏信號(hào)辨識(shí)具體包括以下步驟：

7、s11初始化階段：設(shè)置pid控制器的初始參數(shù)，包括比例系數(shù)kp、積分系數(shù)ki、微分系數(shù)kd和零偏辨識(shí)的預(yù)設(shè)閾值ε；

8、s12零位伺服控制：控制器向伺服閥發(fā)送控制信號(hào)，使液壓馬達(dá)嘗試跟蹤零位目標(biāo)位置。在此過(guò)程中，控制器記錄伺服閥的控制輸入信號(hào)，并計(jì)算液壓馬達(dá)的實(shí)際位置與零位目標(biāo)位置之間的跟蹤誤差e；

9、s13零偏信號(hào)辨識(shí)：若跟蹤誤差e不大于預(yù)設(shè)閾值ε，則認(rèn)為當(dāng)前伺服閥的控制輸入即為零偏信號(hào)，并保存該值；若跟蹤誤差e大于閾值ε，則根據(jù)預(yù)設(shè)的調(diào)參策略調(diào)整pid控制器的參數(shù)，并重復(fù)進(jìn)行零位伺服控制和零偏信號(hào)辨識(shí)，直至滿足精度要求。

10、進(jìn)一步的，步驟s13中，pid控制器的調(diào)參策略為試錯(cuò)法，即根據(jù)誤差的大小來(lái)不斷修正pid的三個(gè)控制參數(shù)：比例系數(shù)kp、積分系數(shù)ki、微分系數(shù)kd，當(dāng)跟蹤誤差e不大于閾值ε時(shí)，停止控制參數(shù)的調(diào)整，并記錄此時(shí)的控制參數(shù)。

11、進(jìn)一步的，步驟s13中，所述pid控制參數(shù)的調(diào)整包括比例系數(shù)kp、積分系數(shù)ki、微分系數(shù)kd的調(diào)整。

12、進(jìn)一步的，步驟s11中，所述預(yù)設(shè)的閾值ε根據(jù)系統(tǒng)精度要求和實(shí)際工況，且可動(dòng)態(tài)調(diào)整。如果系統(tǒng)的控制精度要求較高，則將閾值ε設(shè)置的較??；如果系統(tǒng)的控制精度要求較低，可以將閾值ε設(shè)置的較大，以節(jié)約調(diào)整時(shí)間。

13、進(jìn)一步的，步驟s2中，所述非線性控制律采用滑?？刂?、自適應(yīng)控制或魯棒控制等策略中的一種或多種的組合。

14、進(jìn)一步的，還包括在系統(tǒng)啟動(dòng)前或退出伺服控制后，根據(jù)辨識(shí)得到的伺服閥零偏信號(hào)給定一個(gè)零偏補(bǔ)償信號(hào)，以抑制系統(tǒng)流量通過(guò)伺服閥進(jìn)入液壓執(zhí)行機(jī)構(gòu)的風(fēng)險(xiǎn)。

15、第二方面，本申請(qǐng)?zhí)峁┮环N液壓位置閉環(huán)系統(tǒng)，包括液壓動(dòng)力源、伺服閥、液壓馬達(dá)、編碼器和控制器，其中，所述控制器采用上述第一方面的控制方法對(duì)所述液壓馬達(dá)進(jìn)行位置閉環(huán)控制。

16、進(jìn)一步的，所述控制器通過(guò)控制所述伺服閥的閥芯開(kāi)口大小，調(diào)整從所述液壓動(dòng)力源進(jìn)入所述液壓馬達(dá)的供油流量，再借助所述編碼器來(lái)實(shí)時(shí)測(cè)量所述液壓馬達(dá)的角度，實(shí)現(xiàn)所述液壓馬達(dá)的位置閉環(huán)控制。

17、進(jìn)一步的，還包括用于實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)伺服閥零偏信號(hào)變化的監(jiān)測(cè)裝置，以便及時(shí)調(diào)整補(bǔ)償策略。

18、本發(fā)明的有益效果在于：針對(duì)閥控液壓伺服系統(tǒng)，提出一種基于伺服閥零偏辨識(shí)補(bǔ)償?shù)目刂品椒?，可以適用于液壓位置閉環(huán)系統(tǒng)的伺服控制。該方法可以提高液壓位置閉環(huán)系統(tǒng)的綜合控制精度，特別是對(duì)于啟動(dòng)瞬間的控制精度，具有顯著的提升效果。

技術(shù)特征：

1.基于伺服閥零偏辨識(shí)補(bǔ)償?shù)囊簤何恢瞄]環(huán)系統(tǒng)非線性控制方法，其特征在于，包括以下步驟：

2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的控制方法，其特征在于，所述s1的伺服閥零偏信號(hào)辨識(shí)具體包括以下步驟：

3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的控制方法，其特征在于，步驟s1中，所述pid控制參數(shù)的調(diào)整包括比例系數(shù)kp、積分系數(shù)ki和微分系數(shù)kd的調(diào)整。

4.根據(jù)權(quán)利要求2所述的控制方法，其特征在于，步驟s11中，所述預(yù)設(shè)的閾值ε的大小根據(jù)系統(tǒng)精度要求和實(shí)際工況設(shè)定，且可動(dòng)態(tài)調(diào)整。

5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的控制方法，其特征在于，步驟s2中，所述非線性控制律采用滑?？刂?、自適應(yīng)控制或魯棒控制等策略中的一種或多種的組合。

6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的控制方法，其特征在于，還包括在系統(tǒng)啟動(dòng)前或退出伺服控制后，根據(jù)辨識(shí)得到的伺服閥零偏信號(hào)給定一個(gè)零偏補(bǔ)償信號(hào)，以抑制系統(tǒng)流量通過(guò)伺服閥進(jìn)入液壓執(zhí)行機(jī)構(gòu)的風(fēng)險(xiǎn)。

7.一種液壓位置閉環(huán)系統(tǒng)，其特征在于，包括液壓動(dòng)力源、伺服閥、液壓馬達(dá)、編碼器和控制器，其中，所述控制器采用權(quán)利要求1-6中任一項(xiàng)所述的控制方法對(duì)所述液壓馬達(dá)進(jìn)行位置閉環(huán)控制。

8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的系統(tǒng)，其特征在于，所述控制器通過(guò)控制所述伺服閥的閥芯開(kāi)口大小，調(diào)整從所述液壓動(dòng)力源進(jìn)入所述液壓馬達(dá)的供油流量，再借助所述編碼器來(lái)實(shí)時(shí)測(cè)量所述液壓馬達(dá)的角度，實(shí)現(xiàn)所述液壓馬達(dá)的位置閉環(huán)控制。

9.根據(jù)權(quán)利要求7所述的系統(tǒng)，其特征在于，還包括用于實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)伺服閥零偏信號(hào)變化的監(jiān)測(cè)裝置，以便及時(shí)調(diào)整補(bǔ)償策略。

技術(shù)總結(jié)
本發(fā)明涉及基于伺服閥零偏辨識(shí)補(bǔ)償?shù)囊簤何恢瞄]環(huán)系統(tǒng)非線性控制方法及其實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)。該控制方法包括以下步驟：S1采用PID控制方法對(duì)液壓位置閉環(huán)系統(tǒng)進(jìn)行零位伺服控制，記錄此時(shí)的伺服閥控制輸入信號(hào)；S2根據(jù)零位控制精度判斷伺服閥零偏信號(hào)的準(zhǔn)確性，若跟蹤誤差不大于預(yù)設(shè)的閾值，則記錄當(dāng)前伺服閥控制輸入作為零偏信號(hào)；若跟蹤誤差小于閾值，則調(diào)整PID控制參數(shù)后重復(fù)S1，直至滿足精度要求；S3設(shè)計(jì)基于系統(tǒng)模型的非線性控制律，在控制律的推導(dǎo)過(guò)程中引入已辨識(shí)的伺服閥零偏信號(hào)作為前饋補(bǔ)償項(xiàng)，對(duì)控制輸入進(jìn)行零偏補(bǔ)償，得到總控制輸入信號(hào)。本發(fā)明通過(guò)精確辨識(shí)伺服閥的零偏信號(hào)并將其引入控制律進(jìn)行補(bǔ)償，從而提高系統(tǒng)的綜合控制精度和穩(wěn)定性。

技術(shù)研發(fā)人員：陳興華,劉曉超,高翔,盛友偉
受保護(hù)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：2025/1/9