基于干擾補(bǔ)償?shù)碾娨何恢盟欧到y(tǒng)連續(xù)滑模控制方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明屬于電液伺服控制技術(shù)領(lǐng)域，特別是一種基于干擾補(bǔ)償?shù)碾娨何恢盟欧?統(tǒng)連續(xù)滑?？刂品椒?。
【背景技術(shù)】
[0002] 液壓伺服系統(tǒng)具有功重比大、響應(yīng)快及抗負(fù)載剛性強(qiáng)等突出優(yōu)點(diǎn)，在眾多重要領(lǐng) 域內(nèi)得到廣泛運(yùn)用。電液伺服系統(tǒng)是一個(gè)典型的非線性系統(tǒng)，包含許多非線性特性和建模 不確定性干擾。隨著電液伺服系統(tǒng)向高精度、高頻響發(fā)展時(shí)，系統(tǒng)呈現(xiàn)的非線性特性對系統(tǒng) 性能的影響越顯著，而且干擾的存在會(huì)使以系統(tǒng)名義模型設(shè)計(jì)的控制器不穩(wěn)定或降階，因 此電液伺服系統(tǒng)非線性特性和干擾是限制系統(tǒng)性能提升的重要因素。隨著工業(yè)及國防領(lǐng)域 技術(shù)水平的不斷進(jìn)步，以往基于傳統(tǒng)線性理論設(shè)計(jì)的控制器已逐漸不能滿足系統(tǒng)的高性能 需求，因此必須針對電液伺服系統(tǒng)中的非線性特性和存在的干擾研究更加先進(jìn)的非線性控 制策略。
[0003] 針對電液伺服系統(tǒng)的干擾和非線性控制的問題，許多方法相繼被提出。在液壓位 置伺服系統(tǒng)控制器的設(shè)計(jì)中，針對電液伺服系統(tǒng)存在的多種干擾，反饋線性化控制的基本 思想是通過在控制器中對非線性函數(shù)進(jìn)行精確補(bǔ)償以使誤差動(dòng)態(tài)線性化。雖然理論上可 以獲得完美的漸近跟蹤性能，但是實(shí)際系統(tǒng)的模型是不可能精確已知的，總會(huì)存在建模誤 差，因此會(huì)惡化理論分析獲得的跟蹤性能。而由于系統(tǒng)中存在不匹配干擾，傳統(tǒng)的滑?？刂?方法的基本思路是通過增大控制器的魯棒性來克服不匹配和匹配干擾從而到達(dá)滑模面，但 是，即使到達(dá)滑模面后，系統(tǒng)地跟蹤誤差在不匹配干擾的影響下仍然無法為零，只能得到一 個(gè)和不匹配干擾上確界相關(guān)的一個(gè)一致有界的穩(wěn)態(tài)跟蹤誤差。并且，通過增大不連續(xù)項(xiàng)增 益的方法來增加控制器的魯棒性，在實(shí)際運(yùn)用中很可能激發(fā)系統(tǒng)高頻動(dòng)態(tài)，使系統(tǒng)失穩(wěn)。同 時(shí)，由于滑模控制方法在進(jìn)行控制器設(shè)計(jì)中使用了符號函數(shù)，從而使得控制器的輸出不連 續(xù)，雖然有的滑?？刂撇呗匝a(bǔ)償了系統(tǒng)存在的干擾使得不連續(xù)項(xiàng)增益大為減少，削弱滑模 控制的抖振，但因?yàn)榭刂破鞅磉_(dá)式中始終存在不連續(xù)項(xiàng)，從而使得滑?？刂品椒ㄊ冀K存在 抖振，無法根除抖振，因而傳統(tǒng)的滑?？刂品椒ň哂泻艽蟮墓こ叹窒扌?。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004] 本發(fā)明的目的在于提供一種基于干擾補(bǔ)償?shù)碾娨何恢盟欧到y(tǒng)連續(xù)滑?？刂品?法。
[0005] 實(shí)現(xiàn)本發(fā)明目的的技術(shù)解決方案為：一種基于干擾補(bǔ)償?shù)碾娨何恢盟欧到y(tǒng)連續(xù) 滑模控制方法，包括以下步驟：
[0006] 步驟1、建立電液位置伺服系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型；
[0007] 步驟2、設(shè)計(jì)電液位置伺服系統(tǒng)兩通道的干擾觀測器；
[0008] 步驟3、設(shè)計(jì)基于干擾觀測器的連續(xù)滑?？刂破鳌?br>[0009] 本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比，其顯著優(yōu)點(diǎn)是：
[0010] (1)本發(fā)明消除滑?？刂撇呗灾械牟贿B續(xù)項(xiàng)的同時(shí)保證了該方法的強(qiáng)魯棒性，使 得滑?？刂破鞯妮敵鲞B續(xù)化，徹底消除了滑?？刂频亩墩駟栴}；
[0011] (2)在系統(tǒng)同時(shí)存在匹配和不匹配干擾和強(qiáng)非線性的情況下使用滑?？刂品椒ㄒ?舊獲得了漸近跟蹤的穩(wěn)態(tài)性能，保證了電液位置伺服系統(tǒng)良好的控制性能；
[0012] (3)本發(fā)明設(shè)計(jì)干擾觀測器觀測了液壓位置伺服系統(tǒng)第二通道和第三通道的干 擾，并在控制器中將其完全補(bǔ)償，抑制了干擾對控制性能的影響；
[0013] (4)在控制器中不使用系統(tǒng)的加速度信號，削弱了測量噪聲對跟蹤性能的惡化，利 于在工程實(shí)際中運(yùn)用。
【附圖說明】
[0014] 圖1為本發(fā)明的基于干擾補(bǔ)償?shù)碾娨何恢盟欧到y(tǒng)連續(xù)滑?？刂品椒鞒虉D。
[0015] 圖2為本發(fā)明的液壓位置伺服系統(tǒng)的原理圖。
[0016] 圖3為本發(fā)明的基于干擾補(bǔ)償?shù)碾娨何恢盟欧到y(tǒng)連續(xù)滑?？刂品椒ㄔ硎疽?圖。
[0017] 圖4為本發(fā)明實(shí)施例中系統(tǒng)輸出對期望指令的跟蹤曲線圖。
[0018] 圖5為本發(fā)明實(shí)施例中系統(tǒng)的位置跟蹤誤差隨時(shí)間變化的曲線圖。
[0019] 圖6為本發(fā)明實(shí)施例中基于干擾補(bǔ)償?shù)碾娨何恢盟欧到y(tǒng)連續(xù)滑?？刂破鳎– -SMC)作用下和不確定性補(bǔ)償?shù)幕？刂破鳎║C-SMC)作用下及反饋線性化控制器（FLC)作 用下的位置跟蹤誤差隨時(shí)間變化曲線圖。
[0020] 圖7為本發(fā)明實(shí)施例中基于干擾補(bǔ)償?shù)碾娨何恢盟欧到y(tǒng)連續(xù)滑模控制器（C -SMC)作用下系統(tǒng)的控制輸入隨時(shí)間變化的曲線圖。
[0021] 圖8為本發(fā)明實(shí)施例中不確定性補(bǔ)償?shù)幕？刂破鳎║C -SMC)作用下系統(tǒng)的控制 輸入隨時(shí)間變化的曲線圖。
[0022] 圖9為本發(fā)明實(shí)施例中基于干擾補(bǔ)償?shù)碾娨何恢盟欧到y(tǒng)連續(xù)滑模控制器作用 下系統(tǒng)的第二通道干擾觀測曲線圖。
[0023] 圖10為本發(fā)明實(shí)施例中基于干擾補(bǔ)償?shù)碾娨何恢盟欧到y(tǒng)連續(xù)滑?？刂破髯饔?下系統(tǒng)的第二通道干擾觀測誤差隨時(shí)間變化曲線圖。
[0024] 圖11為本發(fā)明實(shí)施例中基于干擾補(bǔ)償?shù)碾娨何恢盟欧到y(tǒng)連續(xù)滑?？刂破髯饔?下系統(tǒng)的第三通道干擾觀測曲線圖。
[0025] 圖12為本發(fā)明實(shí)施例中基于干擾補(bǔ)償?shù)碾娨何恢盟欧到y(tǒng)連續(xù)滑?？刂破髯饔?下系統(tǒng)的第三通道干擾觀測誤差隨時(shí)間變化曲線圖。
【具體實(shí)施方式】
[0026] 下面結(jié)合附圖及具體實(shí)施例對本發(fā)明作進(jìn)一步詳細(xì)說明。
[0027] 結(jié)合圖1，本發(fā)明的液壓位置伺服系統(tǒng)的不確定性補(bǔ)償?shù)幕？刂品椒?，包括以?步驟：
[0028] 步驟1、建立液壓位置伺服系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型；
[0029] 步驟1 -1、如圖2右半部分所示，液壓位置伺服系統(tǒng)為通過伺服閥控制的液壓馬達(dá) 驅(qū)動(dòng)慣性負(fù)載的系統(tǒng)構(gòu)成，圖2左半部分為伺服閥控制的液壓馬達(dá)的原理示意圖；根據(jù)牛 頓第二定律，慣性負(fù)載的運(yùn)動(dòng)方程為：
[0030] my=PjA-Bi'+ /(v. v,t) Cl)
[0031] 式⑴中m為慣性負(fù)載參數(shù)；P^r液壓馬達(dá)兩腔壓差；A為液壓馬達(dá)的排量；B為粘 性摩擦系數(shù)；/(>'，.T^)為建模誤差，包括m、Pp B的名義值與真實(shí)值之間的偏差以及外負(fù)載 干擾；y為慣性負(fù)載的位移j為慣性負(fù)載的速度，為慣性負(fù)載的加速度；t為時(shí)間變量；
[0032] 液壓馬達(dá)左右兩腔的壓力動(dòng)態(tài)方程為：
[0034] 式⑵中PjP P 2分別為液壓馬達(dá)兩腔的壓力，.4和起分別為PjP P 2的導(dǎo)數(shù);V 1 =VM+Ay，V2= V ffi-Ay，VjP V 2分別表示液壓馬達(dá)兩腔的控制容積；V ^和V。2分別為液壓馬 達(dá)兩腔的初始容積；P <3為有效油液彈性模量；C t為內(nèi)泄漏系數(shù)；q i (t)和q2 (t)分別為PjP P2動(dòng)態(tài)方程的建模誤差；Q i和Q 2分別為液壓馬達(dá)的進(jìn)油腔流量和回油腔流量；Q :和Q2與伺 服閥位移Xv的關(guān)系為：
[0038] 其中，kq為流量增益，C d流量系數(shù)；《為閥芯面積梯度；P為油液密度；P s為供 油壓力，Pr為回油壓力；液壓馬達(dá)兩腔壓力滿足0 SPrSP1SPwO <Pr<P2< P s，|P」 <<PS;
[0039] 由于考慮伺服閥動(dòng)態(tài)需要安裝額外的位移傳感器來獲取伺服閥閥芯的位移，而且 對于跟蹤性能只有微小的提升；因此大量相關(guān)的研究都忽略伺服閥的動(dòng)態(tài)，假設(shè)采用的是 高響應(yīng)的伺服閥，閥芯位移與控制輸入近似為比例環(huán)節(jié)即X v= k lU，故式（3)可以寫成
[0041] 式（5)中kt= k A代表總的流量增益，k 伺服閥增益，u為液壓位置伺服系統(tǒng)
[0042] 步驟1 - 2、定義狀態(tài)變量：X= =[鳥九,則系統(tǒng)的狀態(tài)方程 為：
[0044]式（6)中m、B、f3e、A、kt、VQ1、VjPC在觀測器和控制器的設(shè)計(jì)中為名義值，其 與真實(shí)值之間的偏差集中歸類到系統(tǒng)干擾中處理，在第二通中是d(x，t)，在第三通道中是 q(t);其中：
[0046] 由于液壓系統(tǒng)參數(shù)m，B，Pe，kdPCt受各種因素（如溫度、組件磨損程度等）影響 變化很大，因此為了簡化系統(tǒng)狀態(tài)方程，定義：
[0047]
[0048] 因?yàn)镮PlI <<Ps，從而g(X)乒0;第二通道干擾(I1(X，t)和第三通道干擾d2(X，t) 都是有界的，BP: Id1U, t) I 彡D1,Id2