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专利号: 2020101101113
申请人: 西安理工大学
专利类型:发明专利
专利状态:已下证
专利领域: 控制;调节
更新日期:2024-01-05
缴费截止日期: 暂无
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摘要:

权利要求书:

1.一种液压位置伺服系统神经网络分数阶积分滑模控制方法,其特征在于,按照以下步骤实施:步骤1、进行液压位置伺服系统建模与模型线性化;

步骤2、设计液压位置伺服系统的分数阶积分滑模控制器;

步骤3、采用神经网络对模型中不确定函数进行估计。

2.根据权利要求1所述的液压位置伺服系统神经网络分数阶积分滑模控制方法,其特征在于:该方法所依赖的被控液压位置伺服系统的工作过程是,控制对象的非对称液压缸的活塞与负载固定连接,同时活塞还与位移传感器对应接触,位移传感器的输出信号通过A/D转换送入计算机;比例阀为三位四通阀,非对称液压缸的液压腔A侧和液压腔B侧分别与比例阀的两个出液端对应联通,比例阀进液端通过减压阀与油泵联通,比例阀回液端与液压泵储油箱相连,计算机输出的控制量通过D/A转换送入比例阀控制阀芯位置。

3.根据权利要求2所述的液压位置伺服系统神经网络分数阶积分滑模控制方法,其特征在于:所述的液压位置伺服系统满足如下假设条件:1)系统使用的工作介质为理想液体;

2)液体流经阀口或其它节流口时的流动状态均为等熵绝热过程;3)在同一容腔内液体压力和温度处处相等;4)忽略未加考虑的泄漏;5)活塞运动时,两腔内液体的变化过程均为绝热过程;6)油源压力恒定;7)与系统动态特性相比,比例阀的惯性能够忽略。

4.根据权利要求1、2和3所述的液压位置伺服系统神经网络分数阶积分滑模控制方法,其特征在于:所述的步骤1的具体过程是,基于液压位置伺服系统的工作原理和假设条件,比例阀控制非对称液压位置伺服系统的数学模型如下式(1):其中,Qa和Qb分别为流入无杆腔A和流出有杆腔B的流量,Cd为流量系数,ω为比例阀面积梯度,xv为比例阀阀芯位移,ρ为油液密度,Ps为液压供油压力,Pa和Pb分别为液压无杆腔A和有杆腔B的压力,kv为阀增益,u为比例阀控制信号,Ct为内泄漏系数,Aa和Ab为液压缸无杆腔A和有杆腔B的有效作用面积,Va和Vb为液压缸无杆腔和有杆腔的容积,βe为体积弹性模量, 和 分别为Pa和Pb对于时间的一阶导数,M为滑块质量,Bp为粘性阻尼系数,kle为负载弹性系数,FL为外负载力,y为活塞位移,和 分别为y对时间的一阶导数和二阶导数,上述活塞位移y通过位移传感器测量得到,引入负载流量QL、负载压力PL的定义如下式(2):忽略外负载力FL以及摩擦等非线性负载,在平衡工作点附近对式(1)中非线性函数进行线性化处理,得到阀控非对称液压缸的机理模型为式(3):其中,Kxa和Kpa分别为线性化后的流量增益和流量压力系数,Am表示平均有效面积,V为液压缸工作腔总容积,其它参数与式(1)定义相同,定义系统状态变量为 其物理含义分别为滑块的

位置、速度和加速度,

将摩擦力Ff和其它未建模动态看作扰动,同时考虑比例阀不精确零点,近似得到在工作点附近的液压系统的三阶线性状态方程如下式(4):其中,a0,a1,a2,b均为与工作点有关的未知参数,Δu为比例阀零点,d为包含摩擦和未建模动态的内外部扰动,将式(4)变换表示为式(5):

其中,d1=bΔu+d表示摩擦力、比例阀不精确零点和其他内外部扰动的不确定项,控制目标是使负载位移y能够跟踪所要求的期望输出yd。

5.根据权利要求4所述的液压位置伺服系统神经网络分数阶积分滑模控制方法,其特征在于:所述的步骤2的具体过程是,针对步骤1得到的如式(5)所示液压位置伺服系统线性化模型,神经网络分数阶积分滑模控制器设计过程如下:定义系统跟踪误差e为:

e=y-yd        (6)

其中的yd是期望输出信号,

选取分数阶积分的滑模面s为:

其中的D-μ为e的μ阶积分,λ和k2为常数,

选取Grünwald-Letnikov的方法计算分数阶微积分,表达式如下:式(8)为分数阶积分和微分的统一定义,其中,μ为任意阶次,[·]表示取整运算,h为计算步长, 为二项式系数定义为:分数阶算子的数字实现采用下式(10)得到:

式(10)中的 初始时刻设定qμ,0=1,通过迭代得到qμ,j的值,具体形式为:其中qμ,j-1为qμ,j前一次的值,

指定记忆长度,忽略较早数据点,得到近似的分数阶算子为:式(12)中的 L为记忆长度,

滑模面s的导数为:

选择指数趋近率:

其中,ε和k1均为常数,

结合式(13)和式(14)设计分数阶积分滑模控制器为:其中,未知函数f(x)用神经网络进行逼近。

6.根据权利要求5所述的液压位置伺服系统神经网络分数阶积分滑模控制方法,其特征在于:所述的步骤3的具体过程是,由式(13)可知,滑模面s的导数 中包含未知函数f(x)=a0x1+a1x2+a2x3;

本步骤采用神经网络方法对该未知函数进行逼近,WTh(G)为神经网络输出用于逼近未知函数f(x),定义G=[g1,g2,g3]=[x1,x2,x3]为神经网络输入向量,W为隐含层到输出层的连接权值向量,h(G)=[h1,h2,…,hm]为神经网络隐层基函数,m为神经元个数,其中为高斯函数,ci为第i个神经元高斯基函数中心点,bi为第i个神经元高斯基函数的宽度;定义 为W的估计值,估计误差 得到WTh(G)为神经网络输出取代式(15)中的未知函数f(x),得到神经网络分数阶积分滑模控制器的模型式(16):权值的自适应律参照下式(17):

其中,γ为常数,

初始时刻设定 的值通过欧拉式求取,具体表达式为:其中, 为 的导数,由式(17)得到; 表示 在第k个采样时刻的值, 表示 下一时刻的值,ΔT为采样时间,将通过式(18)得到的W的估计值 用于实时更新式(16)所示神经网络分数阶积分滑模控制器,控制比例阀,实现调节非对称液压缸的活塞的位移量。