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专利号: 2020114384572
申请人: 燕山大学
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:2024-02-23
缴费截止日期: 暂无
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摘要:

权利要求书:

1.一种针对非对称伺服液压位置跟踪系统的低复杂控制方法,其特征在于:包括以下步骤:

S1:建立单出杆的伺服液压系统模型;

S2:根据单出杆的伺服液压系统模型,采用低复杂控制策略设计出单出杆的伺服液压系统的控制器;

S3:根据单出杆的伺服液压系统的控制器及单出杆的伺服液压系统模型,证明单出杆的伺服液压系统的稳定性。

2.根据权利要求1所述的一种针对非对称伺服液压位置跟踪系统的低复杂控制方法,其特征还在于:所述建立单出杆的伺服液压系统模型表达式的过程如下:根据牛顿第二定律建立液压缸体的动力学模型:其中:f(t)表示各种干扰,x和m分别表示负载的位置和质量,B是粘性阻尼系数,K是负载的等效弹簧刚度,当负载是惯性负载时,K=0,F=A1*P1‑A2*P2是液压作动器输出的主动力,其中P1,P2是液压缸大小腔压力,A1,A2是大小腔活塞的有效面积;

采用三位五通伺服阀,负载压力动力学通过如下公式表示:式中:V1,V2分别为有杆腔和无杆腔容积,V1=V01+A1x,V2=V02‑A2x,V01和V02分别为活塞处于初始位置时,无杆腔和有杆腔容积,Ct为液压缸内部的泄露系数,Ce为液压缸的外泄露系数,βe为油液弹性模量;Q1是有杆腔液压油流量,Q2是无杆腔液压油流量;

其中:

其中, 是流量增益,s(Γ(xv))表达式如下:Ps为液压系统供油压力,Pr为液压系统回油压力,Cd为节流口的流量系数,w是滑阀面积梯度,ρ是油液密度,xv是伺服阀的阀芯;

通过电压或电流输入u来控制伺服阀的阀芯位移xv,进而获得所需要的对应的力,伺服阀的动态特性如下所示:

τ是伺服阀动力学模型的时间常数,u(t)是电流输入;

考虑了存在未知死区的阀芯位移Γ(xv),其表达式如下:参数mr和ml代表死区特性曲线的左右斜率,参数br和bl代表输入非线性的断点;

阀芯死区表示为Γ(xv)=m(t)xv+d(t),m(t),d(t)表达式如下所示:由于mr,ml,br,bl有界,故d(t)有界,记d(t)上界为定义状态变量如下:x1=x, x3=P1,x4=P2,x5=xv,获得具有未知阀芯死区位置跟踪系统的状态方程如下:其中:

3.根据权利要求1所述的一种针对非对称伺服液压位置跟踪系统的低复杂控制方法,其特征还在于:所述根据单出杆的伺服液压系统模型,采用低复杂控制策略设计出单出杆的伺服液压系统的控制器的过程如下:定义误差变量:

z1=x1‑xr z2=x2‑α1 z3=F‑α2 z4=x5‑α3  (17)其中,α1,α2,α3是虚拟控制量,x1r是液压位置跟踪系统的指令信号,F(F=A1x3‑A2x4)是作动器输出的主动力,z1是位置跟踪误差,zi i=2...4是控制误差,四个正的光滑递减函数选做规定性能函数,定义标准化误差ζi,对zi i=1...4做误差转换,转换后的误差 如下:选取虚拟控制器如下:

伺服液压系统的控制器为

4.根据权利要求1所述的一种针对非对称伺服液压位置跟踪系统的低复杂控制方法,其特征还在于:所述根据单出杆的伺服液压系统的控制器及单出杆的伺服液压系统模型,证明单出杆的伺服液压系统的稳定性的过程如下:S3‑1:利用初值定理,证明标准化误差向量在时间段t∈[0,τmax)时,在非空开集合Ωζ中存在最大解;

S3‑2:当标准化误差向量在时间段t∈[0,τmax)上,在非空开集合Ωζ中存在最大解时,虚拟控制器以及伺服液压系统的控制器,对于t∈[0,τmax)能保证闭环信号有界;

S3‑3:利用初值提议证明当S3‑2中的τmax=+∞时,所有闭环信号有界仍是正确的。

5.根据权利要求4所述的一种针对非对称伺服液压位置跟踪系统的低复杂控制方法,其特征还在于:所述利用初值定理,证明标准化误差向量在时间段t∈[0,τmax)时,在非空开集合Ωζ中存在最大解:

非空的开集合Ωζ,选择性能函数ρi时,满足:ρi(0)>min{δ‑i,δi}|zi(0)|,i=1...4由此‑

可得:|ζi(0)|

6.根据权利要求4所述的一种针对非对称伺服液压位置跟踪系统的低复杂控制方法,其特征还在于:所述当标准化误差向量在时间段t∈[0,τmax)上,在非空开集合Ωζ中存在最大解时,虚拟控制器以及伺服液压系统的控制器,对于t∈[0,τmax)能保证闭环信号有界的的过程如下:

S3‑2‑1:根据式(18)求出 对时间的导数其中 存在一个正常数rM1,使得0>r1>rM1;

进一步可得:

△1(t)=r1k1  (32)考虑到 且 ρ2是有界的,由极值定理可知a1有界;

由(31)和(32)得:

选取李雅普诺夫函数

(33)和(34)符合不等式引理形式,由不等式引理可知,因为a1有界,即 |a1|

0<△1(t)

(t)

S3‑2‑2:根据式(18)求出 对时间的导数其中 存在一个正常数rM2,使得0>r2>rM2;

进一步可得:

记:

考虑到 且 ρi,是有界的,f(t)是未知有界的扰动项,B是有界的不确定参数,由极值定理可知a2有界;

由(36)和(37)得:

选取李雅普诺夫函数

(38)和(39)符合不等式引理形式,由不等式引理可知,因为a2有界即 使得|a2|

(t)

S3‑2‑3:根据式(18)求出 对时间的导数其中 存在一个正常数rM3,使得0>r3>rM3;

将式(10),(24),(11)和(21)带入(40)中得:记

其中V1=V01+A1x,V2=V02‑A2x;

鉴于伺服液压系统作动器的安全运行,留出安全裕度,即根据物理结构,液压缸在中位附近上下最大可波动12厘米,指令信号的幅值小于等于10厘米保证了h1 h2 h3有界,即分别存在三个正数 使得

考虑到 且α1, ρi是有界的,m(t)为阀芯死区的未知斜率,m(t)是有界的(即 0

由(41)和(42)得:

选取李雅普诺夫函数

(43)和(44)符合不等式引理形式,由不等式引理可知,因为a3有界,即 使得|a3|

δ‑3ρ3(t)

S3‑2‑4:根据式(18)求出 对时间的导数其中 存在一个正常数rM4,使得0>r4>rM4;

进一步得:

考虑到 且αi, ρi是有界的,k4为设计控制器时自选参数,故a4有界;

由(46)和(47)得:

选取李雅普诺夫函数:

(48)和(49)符合不等式引理形式,由不等式引理可知,因为a4有界,即 使得|a4|

ρ4(t)

7.根据权利要求6所述的一种针对非对称伺服液压位置跟踪系统的低复杂控制方法,其特征还在于:

所述不等式引理表达式如下:如果a有界(即 |a|

8.根据权利要求4所述的一种针对非对称伺服液压位置跟踪系统的低复杂控制方法,其特征还在于:所述利用初值提议证明当S3‑2中的τmax=+∞时,所有闭环信号有界仍是正确的过程如下:

因为

所以 是非空集合;

假设τmax<+∞,初值提议中强调存在一个时间常数t1∈[0,τmax)使得 造成矛盾,得出的假设是τmax=+∞,对于任何t∈[0,+∞),所有闭环系统信号是有界的,并且能够保证跟踪误差在规定边界内收敛。