关键词:
压力共轨系统
双变量液压变压器
液压缸
有限时间
非线性控制
摘要:
随着工业领域对于能源利用率要求的不断提高,能量的合理利用和有效回收成为衡量各类系统自身优势以及应用前景的重要指标。当下应用于液压传动领域的压力共轨系统(Common Pressure Rail,CPR)通过调节系统中的二次元件,在满足独立控制多个执行元件要求的基础上,还能够同时实现向负载输送能量以及回收负负载能量,在很大程度上提高了液压传动系统的效率。而液压变压器(Hydraulic Transformer,HT)作为其中的关键元件,能够使得系统在没有节流损失的情况下实现对各类执行器的控制,拓宽了压力共轨系统的应用场景。这对于进一步提高系统的传动效率以及实现节约能源起到了至关重要的作用。双变量液压变压器(Double-variable Hydraulic Transformer,DVHT)是在单变量液压变压器(Single-variable Hydraulic Transformer,SVHT)的基础上发展而来的,DVHT不仅可以通过调节控制角实现输出压力的调节,还通过增加一个输入变量,使其能够在满足负载端所需压力的基础上实现缸体转速的主动调节,提高了HT的工作效率,也使得HT的发展又向前迈出了一步,同时也将使得CPR系统的使用更为灵活。但是,HT本身的结构和工作原理使其控制系统存在比一般非线性系统更强的非线性,而双变量液压变压器中两个输入变量存在着复杂的耦合性,这不仅提高了系统的控制难度,也制约着液压变压器的广泛应用。因此,本课题结合双变量液压变压器的实际应用场景,在全面分析双变量液压变压器工作原理和特性的基础上,以提高控制系统控制精度和鲁棒性为主要目的,进行双变量液压变压器控制液压缸系统的控制策略和控制器设计。
(1)根据课题的研究范围和目标,介绍双变量液压变压器的结构及工作原理,分析双变量液压变压器的转矩特性和变压比特性。以广泛使用的液压缸作为执行元件,依据流量连续性方程以及动力学方程推导出基于双变量液压变压器的液压缸控制系统内外环的数学模型并构建状态空间方程。其中,外环为双变量液压变压器控制液压缸系统,内环为伺服阀控制摆动马达系统。在MATLAB/Simulink软件中采用一般的控制器对内环外系统进行控制仿真,分析系统在控制过程中存在的问题。
(2)综合考虑内环系统中存在的输入延迟、输出约束以及实际工况,设计基于拓展状态观测器的有限时间反步滤波(Finite-Time Backstepping Filter,FTBF)控制器,在保证系统节能性的前提下使其具有良好的控制性能。通过设计拓展状态观测器以观测系统状态量并提供未知非线性项的估计值。采用Pade逼近转化带有输入时滞的系统状态方程,并基于有限时间控制技术、反步算法设计鲁棒控制器以保证系统输出在约束集合内。使用一阶低通滤波器解决虚拟控制信号多次微分引起的“微分爆炸”问题,同时采用自适应对系统中存在的观测误差进行补偿。通过仿真以及试验验证所提出控制器的有效性。
(3)以提高双变量液压变压器控制液压缸系统的工作效率为目的,在分析双变量液压变压器在运行过程中缸体转速处于低效率区的原因的基础上,根据外环系统的特点设计控制策略使得系统能够通过改变双变量液压变压器排量来保证缸体转速始终保持在高效率区运行,并采用根据人工经验设计的模糊控制器来实现液压变压器排量的控制。针对外环系统设计基于干扰观测器的有限时间控制算法,在保证系统控制精度的同时提高系统的鲁棒性,实现液压变压器缸体转速和液压缸速度的同步控制。
(4)根据伺服阀控制液压摆动马达系统的系统组成,完成内环系统实验台中各类元件的选型、设计和搭建。结合MATLAB中的Simulink Real-time环境,实现对所提出内环控制算法的试验验证。