[发明专利]具有时变输出约束的电液伺服系统非线性鲁棒位置控制方法

说明书

技术领域

本发明涉及机电液伺服控制领域，具体而言涉及一种具有时变输出约束的电液伺服系统非线性鲁棒位置控制方法。

背景技术

电液伺服系统由于具有功率密度大、动态响应快、输出力/力矩大以及带载刚度强等突出优点，广泛应用于工业、国防等领域。随着这些领域技术水平的不断进步，迫切需要高性能的电液伺服系统作为支撑，传统基于线性化方法得到的控制性能逐渐不能满足系统需求。电液伺服系统的非线性，如伺服阀压力流量非线性、压力动态非线性、摩擦非线性等，逐渐成为限制伺服系统性能提升的瓶颈因素。除此之外，电液伺服系统还存在诸多参数不确定性(负载惯量、泄漏系数、液压油弹性模量等)和不确定性非线性(未建模的摩擦动态、外干扰等)。不确定性的存在，可能会使以系统名义模型设计的控制器不稳定或性能降阶。

目前针对电液伺服系统的先进控制策略，有非线性动态的局部线性化、自适应鲁棒以及滑模等控制方法。非线性动态的局部线性化方法可以使控制器的设计变得简单，但是基于此方法所建立的数学模型难以准确描述实际电液伺服系统，并且其全局稳定性难以证明。自适应鲁棒控制方法对可能发生的外干扰等非结构不确定性，通过强增益非线性反馈控制予以抑制进而提升系统性能，由于强增益非线性反馈控制往往导致较强的设计保守性(即高增益反馈)，然而，当外干扰等非结构不确定性逐渐增大时，所设计的自适应鲁棒控制器的保守性就逐渐暴露出来，引起跟踪性能恶化，甚至出现不稳定现象。滑模控制方法简单实用且对系统的不确定性有很好的鲁棒性，但是基于一般滑模控制方法所设计的控制器往往不连续会引起滑模面的抖动，从而使系统的性能恶化。虽然这些控制方法可以提高位置跟踪精度，但是却不能任意约束位置跟踪误差的公差。然而，基于时变障碍Lyapunov函数的反步控制方法却能够对输出跟踪误差进行时变约束，并能够使输出的初始值为初始输出约束空间的任意值，具有更大的灵活性。因此，如何处理电液伺服系统的先进控制策略中存在的这些问题仍具有大的研究意义。

总结来说，现有电液伺服系统的控制策略的不足之处主要有以下几点：

1.简化系统非线性模型为线性或忽略系统建模不确定性。简化系统非线性模型为线性难以准确描述实际电液伺服系统，会使控制精度降低。电液伺服系统的建模不确定性主要有未建模摩擦和未建模扰动等。存在于电液伺服系统中的摩擦会引起极限环振荡、粘滑运动等不利因素，对系统的高精度运动控制产生不利的影响。同时，实际的电液伺服系统不可避免的会受到外界负载的干扰，若忽略将会降低系统的跟踪性能；

2.高增益反馈。目前许多控制方法存在高增益反馈的问题，也就是通过增加反馈增益来减小跟踪误差。然而高增益反馈易受测量噪声影响且可能激发系统的高频动态进而降低系统的跟踪性能，甚至导致系统不稳定；

3.基于传统的滑模的控制方法存在抖动现象。基于传统的滑模控制方法会使所设计的控制器不连续，从而使系统的跟踪性能恶化；

4.不能任意约束输出跟踪误差的公差。

发明内容

本发明为解决现有电液伺服系统控制中简化系统非线性模型为线性或忽略系统建模不确定性、高增益反馈、基于传统的滑模控制方法存在抖动现象以及不能任意约束输出跟踪误差的公差的问题，提出一种具有时变输出约束的电液伺服系统非线性鲁棒位置控制方法。

本发明的上述目的通过独立权利要求的技术特征实现，从属权利要求以另选或有利的方式发展独立权利要求的技术特征。

为达成上述目的，本发明所采用的技术方案如下：

一种具有时变输出约束的电液伺服系统非线性鲁棒位置控制方法，该方法的实现包括以下步骤：

步骤1、建立电液位置伺服系统的数学模型；

步骤2、设计扩张状态观测器对电液位置伺服系统的干扰进行估计；

步骤3、设计具有时变输出约束的电液伺服系统自适应鲁棒位置控制器；

步骤4、调节参数使得电液位置伺服系统的位置输出准确地跟踪期望的位置指令，且使得液位置伺服系统的输入无抖动现象产生。