電液位置伺服系統(tǒng)的反饋線性化滑?？刂蒲芯?/h1>
2021-07-20 04:20:51閔磊張洪信趙清海方磊杜善霄
閔磊 張洪信 趙清海 方磊 杜善霄
摘要： ?針對(duì)電液位置伺服系統(tǒng)中存在的各種非線性因素和外界干擾不確定性等問題，提出了一種將反饋線性化理論與滑模變結(jié)構(gòu)理論相結(jié)合的控制策略，建立了電液位置伺服系統(tǒng)的非線性數(shù)學(xué)模型，并采用反饋線性化理論對(duì)該系統(tǒng)中的非線性因素精確線性化，同時(shí)利用滑模變結(jié)構(gòu)理論對(duì)系統(tǒng)中的外界干擾不確定性進(jìn)行補(bǔ)償。在Matlab/Simulink環(huán)境中，搭建某電液位置伺服控制系統(tǒng)模型，對(duì)提出的控制算法進(jìn)行仿真驗(yàn)證。仿真結(jié)果表明，該控制算法相對(duì)傳統(tǒng)比例積分微分（proportion integration differentiation，PID）控制算法位移跟蹤誤差縮小了9938%，相對(duì)滑?？刂扑惴ㄎ灰聘櫿`差縮小了9877%，而且還消除了滑模控制的抖振問題，說明該控制算法有效改善了系統(tǒng)的位置跟蹤品質(zhì)，提高了系統(tǒng)的魯棒性，并且削弱了系統(tǒng)抖振。該研究有效抑制了電液位置伺服控制系統(tǒng)的各種因素對(duì)位置跟蹤精度的影響，提高了系統(tǒng)的控制精度。
關(guān)鍵詞： ?電液位置伺服系統(tǒng); 反饋線性化理論; 滑模變結(jié)構(gòu)理論; PID; 位移跟蹤
中圖分類號(hào)： TP271.31 ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A
電液位置伺服系統(tǒng)具有功率密度大、承載能力強(qiáng)和控制精度高等優(yōu)點(diǎn)，因此被廣泛應(yīng)用于航空航天、船舶、汽車工業(yè)等領(lǐng)域[14]。但電液位置伺服系統(tǒng)本身存在著強(qiáng)非線性和外界干擾不確定性等因素，導(dǎo)致系統(tǒng)的控制性能降低[56]。隨著工業(yè)化的發(fā)展，人們對(duì)于電液位置伺服系統(tǒng)控制性能的要求越來越高，許多專家學(xué)者都將非線性的控制方法引入其中，如反饋線性化、滑?？刂?、魯棒控制、反演控制和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制等，在前面這些控制方法中，反饋線性化由于具有設(shè)計(jì)方法簡單，控制精度高等優(yōu)點(diǎn)而受到廣泛重視[718]。反饋線性化方法就是將一個(gè)非線性系統(tǒng)線性化成一個(gè)線性系統(tǒng)，然后利用成熟的線性控制方法來達(dá)到更好的控制效果，近年來此法已被較多的研究與應(yīng)用[19]。楊軍宏等人[20]構(gòu)建了由閥控非對(duì)稱缸組成的非線性系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型，利用反饋線性化理論將其線性化，并對(duì)系統(tǒng)的零動(dòng)態(tài)穩(wěn)定性進(jìn)行了分析，但線性化后的系統(tǒng)沒有進(jìn)行控制算法設(shè)計(jì);郭洪波等人[2124]分別運(yùn)用非線性控制理論、滑?？刂评碚摵妥顑?yōu)控制理論，設(shè)計(jì)了閥控非對(duì)稱缸（或者閥控對(duì)稱缸）系統(tǒng)的控制策略，仿真結(jié)果證實(shí)考慮了系統(tǒng)的非線性因素，然后利用具有較強(qiáng)魯棒性的控制算法能夠提高系統(tǒng)的控制性能。因此，本文以閥控對(duì)稱缸為主要研究對(duì)象，構(gòu)建了電液位置伺服系統(tǒng)的非線性數(shù)學(xué)模型，針對(duì)該系統(tǒng)中的非線性因素采用反饋線性化理論將其精確線性化，然后利用魯棒性較強(qiáng)的滑模變結(jié)構(gòu)控制算法來提高系統(tǒng)控制精度，最后將這種反饋線性化滑?？刂扑惴ㄅc傳統(tǒng)PID控制算法和滑?？刂扑惴ǚ謩e進(jìn)行對(duì)比，驗(yàn)證了該方法的有效性。說明該控制方法有效改善了系統(tǒng)的位置跟蹤品質(zhì)，提高了系統(tǒng)的魯棒性，并且削弱了系統(tǒng)抖振。
1 電液位置伺服系統(tǒng)的非線性數(shù)學(xué)建模
電液位置伺服系統(tǒng)采用閥控對(duì)稱缸的液壓執(zhí)行機(jī)構(gòu)，它是由零開口四邊滑閥和對(duì)稱液壓缸組成。圖中，A為液壓缸活塞有效作用面積，m2;x為液壓缸活塞桿位移，m;m為等效負(fù)載質(zhì)量，kg;K為等效負(fù)載剛度，（N·m-1）;B為等效負(fù)載阻尼，（N·s·m-1）;F為作用在液壓桿的外負(fù)載力，N;xv為伺服閥閥芯位移，m;pL為液壓缸負(fù)載壓力，Pa;pL=pS-p0，pS為供油壓力，Pa;p0為回油壓力，Pa;取p0=0。電液位置伺
5 結(jié)束語
本文建立了電液位置伺服控制系統(tǒng)模型，提出了一種反饋線性化滑?？刂扑惴?，并在Matlab/Simulink中進(jìn)行仿真分析。仿真結(jié)果表明，該控制算法與傳統(tǒng)PID控制算法相比，位移跟蹤誤差縮小了9938%，相對(duì)滑?？刂扑惴ㄎ灰聘櫿`差縮小了9877%，而且還消除了滑?？刂频亩墩駟栴}，說明該控制方法有效改善了系統(tǒng)的位置跟蹤品質(zhì)，提高了系統(tǒng)的魯棒性，并且削弱了系統(tǒng)抖振，有效抑制了電液位置伺服控制系統(tǒng)各種因素對(duì)位置跟蹤精度的影響，提高了系統(tǒng)的控制精度。該研究具有廣闊的應(yīng)用前景。
參考文獻(xiàn)：
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[20] 楊軍宏， 尹自強(qiáng)， 李圣怡. 閥控非對(duì)稱缸的非線性建模及其反饋線性化[J]. 機(jī)械工程學(xué)報(bào)， 2006， 42（5）： 203207.
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[22] 靳寶全. 電液位置伺服控制系統(tǒng)的模糊滑?？刂品椒ㄑ芯縖D]. 太原： 太原理工大學(xué)， 2010.
[23] 劉川來， 周培培， 張東棟. 非線性反饋線性化最優(yōu)控制在電液伺服系統(tǒng)中的應(yīng)用[J]. 甘肅科學(xué)學(xué)報(bào)， 2014， 26（3）： 6568.
[24] Fan Y Q， Shao J P， Sun G T. Optimized PID controller based on beetle antennae search algorithm for electrohydraulic position servo control system[J]. Sensors， 2019， 19（12）： 27272748.
閔磊 張洪信 趙清海 方磊 杜善霄
摘要： ?針對(duì)電液位置伺服系統(tǒng)中存在的各種非線性因素和外界干擾不確定性等問題，提出了一種將反饋線性化理論與滑模變結(jié)構(gòu)理論相結(jié)合的控制策略，建立了電液位置伺服系統(tǒng)的非線性數(shù)學(xué)模型，并采用反饋線性化理論對(duì)該系統(tǒng)中的非線性因素精確線性化，同時(shí)利用滑模變結(jié)構(gòu)理論對(duì)系統(tǒng)中的外界干擾不確定性進(jìn)行補(bǔ)償。在Matlab/Simulink環(huán)境中，搭建某電液位置伺服控制系統(tǒng)模型，對(duì)提出的控制算法進(jìn)行仿真驗(yàn)證。仿真結(jié)果表明，該控制算法相對(duì)傳統(tǒng)比例積分微分（proportion integration differentiation，PID）控制算法位移跟蹤誤差縮小了9938%，相對(duì)滑?？刂扑惴ㄎ灰聘櫿`差縮小了9877%，而且還消除了滑模控制的抖振問題，說明該控制算法有效改善了系統(tǒng)的位置跟蹤品質(zhì)，提高了系統(tǒng)的魯棒性，并且削弱了系統(tǒng)抖振。該研究有效抑制了電液位置伺服控制系統(tǒng)的各種因素對(duì)位置跟蹤精度的影響，提高了系統(tǒng)的控制精度。
關(guān)鍵詞： ?電液位置伺服系統(tǒng); 反饋線性化理論; 滑模變結(jié)構(gòu)理論; PID; 位移跟蹤
中圖分類號(hào)： TP271.31 ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A
電液位置伺服系統(tǒng)具有功率密度大、承載能力強(qiáng)和控制精度高等優(yōu)點(diǎn)，因此被廣泛應(yīng)用于航空航天、船舶、汽車工業(yè)等領(lǐng)域[14]。但電液位置伺服系統(tǒng)本身存在著強(qiáng)非線性和外界干擾不確定性等因素，導(dǎo)致系統(tǒng)的控制性能降低[56]。隨著工業(yè)化的發(fā)展，人們對(duì)于電液位置伺服系統(tǒng)控制性能的要求越來越高，許多專家學(xué)者都將非線性的控制方法引入其中，如反饋線性化、滑?？刂?、魯棒控制、反演控制和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制等，在前面這些控制方法中，反饋線性化由于具有設(shè)計(jì)方法簡單，控制精度高等優(yōu)點(diǎn)而受到廣泛重視[718]。反饋線性化方法就是將一個(gè)非線性系統(tǒng)線性化成一個(gè)線性系統(tǒng)，然后利用成熟的線性控制方法來達(dá)到更好的控制效果，近年來此法已被較多的研究與應(yīng)用[19]。楊軍宏等人[20]構(gòu)建了由閥控非對(duì)稱缸組成的非線性系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型，利用反饋線性化理論將其線性化，并對(duì)系統(tǒng)的零動(dòng)態(tài)穩(wěn)定性進(jìn)行了分析，但線性化后的系統(tǒng)沒有進(jìn)行控制算法設(shè)計(jì);郭洪波等人[2124]分別運(yùn)用非線性控制理論、滑?？刂评碚摵妥顑?yōu)控制理論，設(shè)計(jì)了閥控非對(duì)稱缸（或者閥控對(duì)稱缸）系統(tǒng)的控制策略，仿真結(jié)果證實(shí)考慮了系統(tǒng)的非線性因素，然后利用具有較強(qiáng)魯棒性的控制算法能夠提高系統(tǒng)的控制性能。因此，本文以閥控對(duì)稱缸為主要研究對(duì)象，構(gòu)建了電液位置伺服系統(tǒng)的非線性數(shù)學(xué)模型，針對(duì)該系統(tǒng)中的非線性因素采用反饋線性化理論將其精確線性化，然后利用魯棒性較強(qiáng)的滑模變結(jié)構(gòu)控制算法來提高系統(tǒng)控制精度，最后將這種反饋線性化滑?？刂扑惴ㄅc傳統(tǒng)PID控制算法和滑?？刂扑惴ǚ謩e進(jìn)行對(duì)比，驗(yàn)證了該方法的有效性。說明該控制方法有效改善了系統(tǒng)的位置跟蹤品質(zhì)，提高了系統(tǒng)的魯棒性，并且削弱了系統(tǒng)抖振。
1 電液位置伺服系統(tǒng)的非線性數(shù)學(xué)建模
電液位置伺服系統(tǒng)采用閥控對(duì)稱缸的液壓執(zhí)行機(jī)構(gòu)，它是由零開口四邊滑閥和對(duì)稱液壓缸組成。圖中，A為液壓缸活塞有效作用面積，m2;x為液壓缸活塞桿位移，m;m為等效負(fù)載質(zhì)量，kg;K為等效負(fù)載剛度，（N·m-1）;B為等效負(fù)載阻尼，（N·s·m-1）;F為作用在液壓桿的外負(fù)載力，N;xv為伺服閥閥芯位移，m;pL為液壓缸負(fù)載壓力，Pa;pL=pS-p0，pS為供油壓力，Pa;p0為回油壓力，Pa;取p0=0。電液位置伺
5 結(jié)束語
本文建立了電液位置伺服控制系統(tǒng)模型，提出了一種反饋線性化滑?？刂扑惴?，并在Matlab/Simulink中進(jìn)行仿真分析。仿真結(jié)果表明，該控制算法與傳統(tǒng)PID控制算法相比，位移跟蹤誤差縮小了9938%，相對(duì)滑?？刂扑惴ㄎ灰聘櫿`差縮小了9877%，而且還消除了滑?？刂频亩墩駟栴}，說明該控制方法有效改善了系統(tǒng)的位置跟蹤品質(zhì)，提高了系統(tǒng)的魯棒性，并且削弱了系統(tǒng)抖振，有效抑制了電液位置伺服控制系統(tǒng)各種因素對(duì)位置跟蹤精度的影響，提高了系統(tǒng)的控制精度。該研究具有廣闊的應(yīng)用前景。
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