雙級式直接驅(qū)動作動器的非線性建模方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種雙級式直接驅(qū)動作動器的非線性建模方法，屬于電液伺服控制領(lǐng)域，該方法包括以下步驟：建立液壓系統(tǒng)以及摩擦的非線性模型；建立電機(jī)動態(tài)以及磁滯、約束、死區(qū)的非線性模型；基于建立的液壓系統(tǒng)以及電機(jī)動態(tài)的非線性模型，建立整個雙級式直接驅(qū)動作動器的非線性模型。本發(fā)明充分考慮了系統(tǒng)內(nèi)的所有非線性模型，并對其一一建模，最終將整個系統(tǒng)用一個狀態(tài)方程表示，為以后在直接驅(qū)動作動器相關(guān)方面的理論研究與工程實(shí)踐提供了堅實(shí)的依據(jù)。
【專利說明】
雙級式直接驅(qū)動作動器的非線性建模方法
技術(shù)領(lǐng)域
[0001] 本發(fā)明屬于電液伺服控制領(lǐng)域，特別是一種雙級式直接驅(qū)動作動器的非線性建模 方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 液壓作動器伺服控制系統(tǒng)是飛行控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)飛行器飛行姿態(tài)的關(guān)鍵因素之一， 其性能影響著飛行器的整體性能，例如機(jī)動性，可靠性，生存性等等。基于直接驅(qū)動作動器 (DDA)的伺服控制已經(jīng)應(yīng)用在了多種先進(jìn)的飛行器上，譬如？-18^-22,8-2。作為先進(jìn)飛行 器的特征之一，超音速巡航要求伺服作動器能提供巨大的鉸力矩，同時，先進(jìn)飛行器正朝著 更高的機(jī)動性，更高的集成度以及多冗余度的方向發(fā)展。
[0003] 然而，許多關(guān)于直接驅(qū)動作動器的分析方法是基于線性方程式的，事實(shí)上，液壓系 統(tǒng)的動態(tài)過程是高度非線性的，并且液壓系統(tǒng)內(nèi)大量的非線性特征會使高性能閉環(huán)控制器 的設(shè)計變得復(fù)雜。其次，由于閥開口的方向性改變，控制輸入飽和，閥重疊和摩擦等，系統(tǒng)會 遭受不連續(xù)和不光滑的非線性因素的干擾。除了上述的非線性，液壓系統(tǒng)還存在著大量的 模型不確定性，包括參數(shù)不確定和不確定非線性。另外，為了使得建模更加準(zhǔn)確，直驅(qū)閥內(nèi) 電機(jī)的非線性也應(yīng)該考慮。
[0004] DDA區(qū)別于其他類型電液作動器(EHA)的主要特征是前者的伺服閥是由電機(jī)直接 驅(qū)動的。與EHA相比，DDA的連接方式能從原理上顯著減少靜態(tài)泄漏。一種典型DDA原理簡圖 如說明書附圖2所示。
[0005] DDA正常工作時，在直驅(qū)閥的控制下，兩個負(fù)載腔的油液通過流量分配閥進(jìn)入作動 器的的液壓缸中推動活塞桿運(yùn)動。此時，由于沒有故障，系統(tǒng)的兩個電磁閥處于閉合狀態(tài)， 使得兩個流量分配閥處于正常工作的位置。當(dāng)系統(tǒng)的某一部分出現(xiàn)了故障，該側(cè)的電磁閥 會斷開從而同側(cè)的流量分配閥會回到初始位置，因此系統(tǒng)的輸出力矩會減半，而空載速率 只是稍微降低。但是在某些情況下，單個液壓缸的輸出力矩就能夠滿足預(yù)設(shè)的要求，因此另 一部分通常被視為故障時的余度裝置。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006] 本發(fā)明為解決現(xiàn)有電液伺服系統(tǒng)控制中存在被忽略的模型不確定性和電機(jī)動態(tài) 特性，提出一種雙級式直接驅(qū)動作動器的非線性建模方法。
[0007] 實(shí)現(xiàn)本發(fā)明目的的技術(shù)方案為：
[0008] -種雙級式直接驅(qū)動作動器的非線性建模方法，包括以下步驟：
[0009] 步驟1、建立液壓系統(tǒng)以及摩擦的非線性模型；
[0010] 步驟2、建立電機(jī)動態(tài)以及磁滯、約束、死區(qū)的非線性模型；
[0011] 步驟3、基于建立的液壓系統(tǒng)以及電機(jī)動態(tài)的非線性模型，建立整個雙級式直接驅(qū) 動作動器的非線性模型。
[0012] 本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比，其顯著優(yōu)點(diǎn)為：
[0013] (1)本發(fā)明考慮了液壓系統(tǒng)內(nèi)大量的非線性特征，并且針對模型不確定性進(jìn)行了 詳細(xì)的分析與建模，確保系統(tǒng)的模型準(zhǔn)確性與工業(yè)上的可用性；
[0014] (2)本發(fā)明系統(tǒng)建模準(zhǔn)確，不僅考慮了液壓系統(tǒng)固有的非線性特征，還考慮了直驅(qū) 閥電機(jī)的動態(tài)以及摩擦非線性和磁滯非線性；
[0015] (3)本發(fā)明將整個系統(tǒng)用一個狀態(tài)方程直觀、簡潔地表示出來，這為今后在直接驅(qū) 動作動器方面的學(xué)術(shù)研究或工程實(shí)踐提供了相應(yīng)的理論基礎(chǔ)。
【附圖說明】
[0016] 圖1為本發(fā)明雙級式直接驅(qū)動作動器的非線性建模方法流程圖。
[0017] 圖2為一種典型DDA的原理圖。
【具體實(shí)施方式】：
[0018] 如圖1、圖2所示，本發(fā)明的一種雙級式直接驅(qū)動作動器的非線性建模方法，包括以 下步驟：
[0019] 步驟1、建立液壓系統(tǒng)以及摩擦的非線性模型
[0020] 在所考慮的液壓系統(tǒng)中，供油壓力Ps為常數(shù)，回油壓力Pr非常小。運(yùn)動信號由系統(tǒng) 內(nèi)的一個編碼器產(chǎn)生，作動器兩腔內(nèi)的壓力信號由壓力傳感器測出，慣性負(fù)載的動態(tài)方程 表示為：
[0021] my = AP,-Ft (y)-F, - f(l,y,y) Cl)
[0022] 其中m和y分別代表負(fù)載的質(zhì)量和位移，A為液壓缸有效活塞面積，為負(fù)載 壓力，其中P#PP2是兩腔內(nèi)的壓力，F(xiàn)f為非線性摩擦，F(xiàn)l為負(fù)載力，f是由外干擾和其他難以 建模的項所引起的不確定非線性；
[0023]以前的模型通常把摩擦簡化為只與速率成正比的粘滯阻力，而事實(shí)上，摩擦是一 種非常復(fù)雜的非線性現(xiàn)象，其不僅與速度有關(guān)，還與位置、溫度等因素有關(guān)。典型的摩擦表 現(xiàn)為庫倫摩擦、靜摩擦和粘性摩擦：
[0025]其中，F(xiàn)c和Fs分別代表庫倫摩擦和粘性摩擦，九是用來描述Stribeck效應(yīng)的經(jīng)驗(yàn)參 數(shù)，sgn( ·)是符號函數(shù)，Bf為模型阻尼與粘性摩擦的組合系數(shù)。明顯可以看出，LuGre摩擦 模型是不連續(xù)的，因此，為了改善LuGre模型并使其連續(xù)，用一個雙曲正切函數(shù)tanh( ·)來 代替符號函數(shù)，此時LuGre模型表示為：
[0027] 其中，〇為速度參考值。
[0028]兩腔的壓力動態(tài)方程為
[0030]式中為有效體積彈性模量代表前進(jìn)腔的總體積，V2 = VQ2-Ay代表后 退腔的總體積，VQ1，VQ2分別是這兩個腔的初始體積，Ct為與油壓相關(guān)的內(nèi)泄漏系數(shù)，(^和出 分別為前進(jìn)腔的供油流量和后退腔的回油流量，他們的表達(dá)式為
[0032]式中kq = CdW(2/p)V2，Cd為伺服閥節(jié)流孔流量系數(shù)，W為節(jié)流孔面積梯度，P為油液 密度，Ps為供油壓力，Pr為回油壓力，Xv為閥芯位移，RdPR2的定義為：
[0034]明顯可以看出，1^>0，1?2>0,在正常工作條件下的液壓系統(tǒng)中，PjPP2都是有界的， 也就是說，〇〈Pr〈Pl〈PS，0〈Pr〈P2〈Ps。
[0035] 步驟2、建立電機(jī)動態(tài)以及磁滯、約束、死區(qū)的非線性模型
[0036] 除了液壓系統(tǒng)固有的非線性之外，磁滯是一種廣泛存在于物理系統(tǒng)中的特性，其 帶來的震蕩和誤差會影響系統(tǒng)的性能。因此，為了追求更高精度的DDA模型，磁滯所帶來的 影響也必須考慮進(jìn)來。直驅(qū)閥的電機(jī)模型能描述為
[0038] 式中，ua，ia*別代表線圈的電壓和電流;R和L分別代表線圈的繞組電阻和電感; 為反電動勢常數(shù);K f為推力常數(shù);Fe為電機(jī)產(chǎn)生的電磁推力;maS運(yùn)動部分質(zhì)量，包括線圈質(zhì) 量和閥芯質(zhì)量
為瞬態(tài)軸向液動力，Bt為其阻尼系數(shù);F sa = KsXv為穩(wěn)態(tài)軸向液動力， Ks為穩(wěn)態(tài)液動力剛度;Fd為包括摩擦、電磁推力和由閥的不對稱所引起的附加軸向液動力在 內(nèi)的外干擾;iahSia的輸入信號，a、c、Βι為常數(shù)，且滿足c>Bi。
[0039] 實(shí)際的控制系統(tǒng)通常會有其他非線性環(huán)節(jié)，如輸入約束，死區(qū)和濾波。輸入約束是 由實(shí)際控制輸入信號的有界性導(dǎo)致的，這不僅會降低系統(tǒng)的性能，還有可能影響系統(tǒng)的穩(wěn) 定性，輸入約束描述為
[0041 ] 式中，Ual為Ua的輸入信號，UamaxX)和uamin〈0為常數(shù)。
[0042]作動器中由于摩擦和閥與齒輪所帶來的的死區(qū)非線性也會降低系統(tǒng)的性能，而死 區(qū)非線性表示為
[0044] 式中，mr，mi，br與bi都是未知常數(shù)，v為濾波后的輸入；
[0045] 另外，一種濾波器模型被用來抑制輸入信號的干擾
[0046] uKp = v+Tv (10)
[0047] 式中u為系統(tǒng)輸入，ΚΡ和Τ為常數(shù)。
[0048] 步驟3、建立整個雙級式直接驅(qū)動作動器的非線性模型
[0049] 定義狀態(tài)變量1=[叉1，叉2，叉3，叉4，叉5，叉6，叉7，叉8，叉9，叉1()]1'，其中叉1 = 7， -Τ2 ：
X8 = Ua，X9 = Ual，XlQ = V，因此，整個系統(tǒng)的 狀態(tài)方程可表示為
[0051]本發(fā)明設(shè)計的最終目的是為了得到作動器輸出的角度，而不是活塞桿的位移輸出
-，乜為活塞桿右端與舵面固定端的距離，1。 為液壓缸的初始長度，1〇為兩個固定端之間的距離，叫為^與^之間的瞬時角度。
【主權(quán)項】
1. 一種雙級式直接驅(qū)動作動器的非線性建模方法，其特征在于，包括W下步驟： 步驟1、建立液壓系統(tǒng)W及摩擦的非線性模型； 步驟2、建立電機(jī)動態(tài)W及磁滯、約束、死區(qū)的非線性模型； 步驟3、基于建立的液壓系統(tǒng)W及電機(jī)動態(tài)的非線性模型，建立整個雙級式直接驅(qū)動作 動器的非線性模型。2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的雙級式直接驅(qū)動作動器的非線性建模方法，其特征在于，步驟 1具體為： 在液壓系統(tǒng)中，運(yùn)動信號由系統(tǒng)內(nèi)的編碼器產(chǎn)生，作動器兩腔內(nèi)的壓力信號由壓力傳 感器測出，慣性負(fù)載的動態(tài)方程為：(1) 其中m和y分別代表負(fù)載的質(zhì)量和位移，A為液壓缸有效活塞面積，Pl = Pi-P2為負(fù)載壓 力，其中Pi和P2是兩腔內(nèi)的壓力，F(xiàn)f為非線性摩擦，F(xiàn)l為負(fù)載力，f是由外干擾和其他難W建 模的項所引起的不確定非線性； 摩擦的非線性模型為：C2) 其中，F(xiàn)c和Fs分別代表庫倫摩擦和粘性摩擦，i'K是用來描述Stribeck效應(yīng)的經(jīng)驗(yàn)參數(shù)， sgn( ·)是符號函數(shù)，Bf為模型阻尼與粘性摩擦的組合系數(shù);用一個雙曲正切函數(shù)tanh( ·) 來代替符號函數(shù)，LuGre模型表示為：(3) 其中，0為速度參考值； 兩腔的壓力動態(tài)方程為C4) 式中拓為有效體積彈性模量，Vi = Voi+Ay代表前進(jìn)腔的總體積，V2 = V〇2-Ay代表后退腔的 總體積，V〇i，V〇2分別是運(yùn)兩個腔的初始體積，Ct為與油壓相關(guān)的內(nèi)泄漏系數(shù)，Qi和化分別為 前進(jìn)腔的供油流量和后退腔的回油流量，表達(dá)式為：(5) 式中kq = CdW(2/p)i/2，Cd為伺服閥節(jié)流孔流量系數(shù)，W為節(jié)流孔面積梯度，P為油液密度， Ps為供油壓力，Pr為回油壓力，XV為閥忍位移，扣和化定義為：(6) 可W得出，Ri〉0，R2〉0,在正常工作條件下的液壓系統(tǒng)中，Pi和P2都是有界的，即，0<Pr<Pl <Ps，0<Pr<P2<Ps。3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的雙級式直接驅(qū)動作動器的非線性建模方法，其特征在于，步驟 2具體為： 直驅(qū)閥的電機(jī)模型能描述為(7) 式中，Ua，ia分別代表線圈的電壓和電流;R和L分別代表線圈的繞組電阻和電感;Ke為反 電動勢常數(shù);Kf為推力常數(shù);Fe為電機(jī)產(chǎn)生的電磁推力;ma為運(yùn)動部分質(zhì)量，包括線圈質(zhì)量和 閥忍質(zhì)量;巧=A ^為瞬態(tài)軸向液動力，Bt為其阻尼系數(shù);Fsa = KsXv為穩(wěn)態(tài)軸向液動力，Ks為 穩(wěn)態(tài)液動力剛度;Fd為包括摩擦、電磁推力和由閥的不對稱所引起的附加軸向液動力在內(nèi) 的外干擾;iah為ia的輸入信號，α，C，Bl為常數(shù)，且滿足C〉Bl ; 輸入約束描述為CS) 式中，Ual為Ua的輸入f曰虧，Uamax〉0和Uajnin〈0為苗數(shù)。 死區(qū)非線性表示為(9) 式中，mr，mi，br與bl都是未知常數(shù)，V為濾波后的輸入； 通過一種濾波器模型來抑制輸入信號的干擾 uKp =ν + Τν UO; 式中u為系統(tǒng)輸入，Κρ和Τ為常數(shù)。4. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的了雙級式直接驅(qū)動作動器的非線性建模方法，其特征在于，步 驟3具體為： 4/) 定義狀態(tài)變量Χ=[Χ1，Χ2,Χ3,Χ4,Χ 已，Χ6,Χ7,Χ8,Χ9,Χ10]Τ，其中Xl = y，X'2 ='夫，々= m Xv，·% = ?，-V=-，X7=iah，X8 = Ua，X9 = Ual，X10 = V，因此，整個系統(tǒng)的狀態(tài)方程表示為 mi得到作動器輸出的角f為活塞桿右端 與艙面固定端的距離，1。為液壓缸的初始長度，1〇為兩個固定端之間的距離，Qp為h與1。之間 的瞬時角度。
【文檔編號】F15B19/00GK106089858SQ201610693584
【公開日】2016年11月9日
【申請日】2016年8月20日 公開號201610693584.4, CN 106089858 A, CN 106089858A, CN 201610693584, CN-A-106089858, CN106089858 A, CN106089858A, CN201610693584, CN201610693584.4
【發(fā)明人】羅成洋, 姚建勇
【申請人】南京理工大學(xué)