关键词:
自适应鲁棒指令滤波控制(ARCFC)
电动静液作动器(EHA)
饱和控制
约束控制
液压系统
摘要:
电动静液作动器(EHA)作为一种闭式泵控液压伺服系统,以其功率重量比大、响应频率高、热量损失低、机械结构紧凑等诸多优点,广泛应用于航空航天、机器人、汽车悬架等机械电子系统。但是,EHA与传统液压系统一样存在着非线性特性和建模不确定性问题。就液压非线性控制而言存在着如下问题:(1)系统在线计算负担大,经典反步控制在液压控制中需要多次求导,不适合工业使用。(2)泵控EHA的输入饱和问题,尚未进行系统研究。(3)模型不确定性经常会导致跟踪误差出现有害的抖动、超调及零偏等现象。EHA系统在航空航天领域中尽可能减少传感器数量,避免传感器重噪声的情况下,提高跟踪质量和动态响应。
自适应鲁棒控制(ARC)可以解决常规阀控液压系统的非线性特性和建模不确定性阻碍。但是,其传统的反步控制技术存在多次求导的“复杂性爆炸”问题。较重的在线计算负担使得该方法在实际应用中受到限制。指令滤波控制(CFC)是一种改进的反步控制技术。其在反步迭代控制器解耦设计上更加方便,并且消除了指令信号的求导计算,从而克服了传统反步技术存在的多次求导问题。ARC与CFC技术的结合为液压伺服高精度控制提供了一种新的方法。
本论文提出了自适应鲁棒指令滤波控制(ARCFC)方法,建立了 ARCFC方法的数学模型,并结合EHA系统的特点进行高精度控制研究。自适应鲁棒指令滤波控制方法结合了自适应鲁棒控制技术处理非线性特性和建模不确定性的强大能力,以及指令滤波控制技术在简化设计结构和轻量计算方面的优势。EHA系统具有泵控闭式回路的特点,结构简单,高效节能。本文主要研究内容和创新性如下:
(1)针对液压系统经典反步控制技术中存在的在线计算负担重的问题,将CFC方法结合自抗扰控制技术(ADRC)进行泵控EHA位置跟踪控制设计。所得的控制算法不仅保证了跟踪误差及良好的稳定性,同时使得闭环系统所有信号有界。经过仿真证明了算法的有效性,与传统的ADRC算法相比控制器结构简单,只需一阶导数即可完成反步计算,该方法更加适合工业应用。
(2)由于物理结构的限制,输入饱和控制一直是控制理论研究的热点。CFC最早为解决航空器的输入约束控制而提出。但是面对泵控EHA这样的高阶系统,CFC对于每一步虚拟控制量均进行约束的方法过于复杂。本文提出一种基于Nussbaum函数结合ARCFC控制技术的抗饱和控制设计方法。该方法采用双曲正切函数近似控制输入信号,使用Nussbaum函数补偿近似饱和函数,从而具有一定的抗饱和能力。通过实验证明了该方法抗饱和能力的有效性。
(3)在已有的液压控制研究中,模型的不确定性使得控制系统经常出现跟踪误差有害的抖动、超调及零偏差等现象。一般采用全状态约束或输出约束来保证系统的动态响应,提高跟踪精度。但是在采用BLF函数的输出约束及CFC控制方法的结合过程中又容易出现有害的输入信号峰值现象。此外,在实际应用中,受到体积质量限制,传感器的安装种类及数量受到限制,尽可能少的使用传感数据成为迫切需求。针对上述问题本文提出了基于输出反馈的输入输出约束自适应鲁棒指令滤波控制方法(IOCCFC),解决了此类问题。并在泵控EHA系统仿真中取得了良好的实验效果。