基于滑模自適應(yīng)控制的電液位置伺服系統(tǒng)低速性能改善

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(太原理工大學(xué) 新型傳感器與智能控制教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 山西 太原　030024)

引言

電液位置伺服系統(tǒng)的低速性能是衡量系統(tǒng)性能好壞的重要標(biāo)志之一，良好的低速性能有利于電液伺服系統(tǒng)達(dá)到超低速、高頻響、寬調(diào)速、高精度等高指標(biāo)。但電液伺服系統(tǒng)的非線(xiàn)性、參數(shù)不確定性、電液伺服閥的分辨率、和摩擦力矩?cái)_動(dòng)等因素在很大程度上影響著系統(tǒng)的低速伺服性能，如引起低速不平穩(wěn)、極限環(huán)振蕩等等，其中摩擦力矩是影響電液伺服系統(tǒng)低速性能的主要因素[1-3]。這些因素使得經(jīng)典甚至單一控制策略對(duì)控制精度、系統(tǒng)魯棒性等控制性能難免顧此失彼，很難獲得滿(mǎn)意的控制效果，因此設(shè)計(jì)一個(gè)魯棒性強(qiáng)能消除系統(tǒng)非線(xiàn)性、不確定性并且具有良好低速控制性能的控制器成為電液伺服控制領(lǐng)域許多學(xué)者十分關(guān)注的問(wèn)題[4-7]。滑模變結(jié)構(gòu)控制(Sliding Mode Control，SMC)是一種重要的非線(xiàn)性控制方法，它通過(guò)變更控制器結(jié)構(gòu)產(chǎn)生不連續(xù)的控制可以把系統(tǒng)的狀態(tài)驅(qū)動(dòng)到預(yù)先規(guī)定的軌跡滑模面上，此時(shí)滑動(dòng)模態(tài)對(duì)控制系統(tǒng)參數(shù)變化和外部干擾具有完全不變性，具有較強(qiáng)的魯棒性和抗干擾能力[8,9]。

近年來(lái)，滑模變結(jié)構(gòu)控制在電液伺服系統(tǒng)的控制方面獲得了一些研究成果。文獻(xiàn)[10]提出一種多滑模魯棒自適應(yīng)控制方法，文中利用逐步遞推方法與狀態(tài)反饋精確線(xiàn)性化理論將系統(tǒng)化成n個(gè)一階正則型子系統(tǒng)，有效的消除了控制系統(tǒng)非線(xiàn)性和參數(shù)不確定性，但該方法依據(jù)逐步遞推方法所以不可避免的會(huì)出現(xiàn)計(jì)算膨脹的問(wèn)題。文獻(xiàn)[11]應(yīng)用滑模變結(jié)構(gòu)控制方法來(lái)消除電液位置伺服系統(tǒng)存在著的參數(shù)不確定，利用指數(shù)形式的趨近率有效減弱了系統(tǒng)中的抖振現(xiàn)象，使系統(tǒng)具有良好的動(dòng)態(tài)性能和魯棒性，提高了系統(tǒng)的跟蹤特性。文獻(xiàn)[12]提出了一種帶有濾波器的滑?？刂品椒?，在抑制高頻噪聲的同時(shí)有效的克服了電液伺服系統(tǒng)由于未建模動(dòng)態(tài)特性所造成的抖振。針對(duì)電液伺服系統(tǒng)的負(fù)載、外部摩擦力矩?cái)_動(dòng)及由此帶來(lái)的系統(tǒng)不確定性，文獻(xiàn)[13]采用了滑模變結(jié)構(gòu)控制方法，試驗(yàn)效果證明該方法可以有效的克服系統(tǒng)的這些不利因素。

本研究主要針對(duì)存在不匹配、不確定性、摩擦干擾的電液伺服系統(tǒng)的低速跟蹤控制問(wèn)題，提出一種滑模變結(jié)構(gòu)自適應(yīng)控制方法，用以抑制非線(xiàn)性摩擦力擾動(dòng)和系統(tǒng)參數(shù)變化的不確定性對(duì)控制系統(tǒng)的影響，削弱傳統(tǒng)變結(jié)構(gòu)控制的抖動(dòng)現(xiàn)象，保持電液伺服系統(tǒng)的控制精度和系統(tǒng)魯棒性[14、15]。

1　電液位置伺服系統(tǒng)建模

1.1　電液位置伺服控制數(shù)學(xué)模型

電液位置伺服控制系統(tǒng)主要由液壓動(dòng)力機(jī)構(gòu)、控制器、伺服放大器、檢測(cè)傳感元件等組成，液壓動(dòng)力機(jī)構(gòu)由電液伺服閥、液壓馬達(dá)和負(fù)載組成，其中液壓動(dòng)力機(jī)構(gòu)是整個(gè)系統(tǒng)的關(guān)鍵。

伺服放大器伺服放大器通常為低輸出阻抗的電壓—電流轉(zhuǎn)換器，頻帶比系統(tǒng)固有頻率高得多，可將其簡(jiǎn)化為比例環(huán)節(jié)，即：

(1)

式中,Kv為伺服放大器增益。

選用固有頻率較高的伺服閥，此時(shí)伺服閥的動(dòng)態(tài)對(duì)系統(tǒng)的影響可忽略時(shí)，伺服閥可視為比例環(huán)節(jié)，伺服閥的傳遞函數(shù)可表示為:

(2)

式中,Ksv為電液伺服閥空載流量增益。

電液位置伺服系統(tǒng)動(dòng)力機(jī)構(gòu)可由以下三個(gè)基本方程描述。

閥的線(xiàn)性化流量方程:

QL=KQxv-KCpl

(3)

式中,QL為負(fù)載流量；KQ為滑閥的流量增益；KC為滑閥的流量-壓力放大系數(shù)；xv為滑閥閥芯相對(duì)中立位置的位移；pl為負(fù)載壓差。

液壓缸流量連續(xù)性方程為：

(4)

式中,Ap為液壓缸活塞面積；Ctp為液壓缸總泄漏系數(shù)；Vt為液壓缸總壓縮容積；βe為有效體積彈性模量。

液壓缸的負(fù)載力平衡方程為：

(5)

式中,mt為活塞及負(fù)載折算到活塞上的總質(zhì)量；Bp為活塞及負(fù)載的粘性阻尼系數(shù)；K為負(fù)載彈簧剛度；FL為作用在活塞上的任意外負(fù)載力；Fd為摩擦力擾動(dòng)。

在不計(jì)忽略彈性負(fù)載時(shí)，根據(jù)閥控缸的三個(gè)基本方程可得到活塞位移xp與空載流量Q0及摩擦干擾的函數(shù)關(guān)系：

式中,Kce為總流量壓力系數(shù)，Kce=KC+Ctp。

(6)

y=x1

(7)

則誤差狀態(tài)空間表達(dá)式為:

(8)

1.2　LuGre 摩擦模型

非線(xiàn)性摩擦干擾會(huì)引起低速爬行、脈動(dòng)等現(xiàn)象，它的存在嚴(yán)重影響了電液位置伺服系統(tǒng)的低速性能，為獲得理想的低速控制性能，必須在研究摩擦特性的基礎(chǔ)上對(duì)其進(jìn)行補(bǔ)償。由C. Canudas de Wit 等人于1995 年提出LuGre 摩擦模型是目前應(yīng)用最廣泛、最完善的動(dòng)態(tài)摩擦模型，它能夠精確地描述出摩擦幾乎所有的動(dòng)、靜態(tài)特性，如粘—滑運(yùn)動(dòng)、摩擦滯環(huán)、預(yù)滑動(dòng)位移及靜態(tài) stribeck曲線(xiàn)等，非常適合電液伺服控制系統(tǒng)摩擦模型補(bǔ)償?shù)膽?yīng)用[14]。LuGre 摩擦模型的表達(dá)式如下:

(9)

(10)

(11)

(12)

(13)

定義不可測(cè)摩擦狀態(tài)的觀測(cè)誤差項(xiàng)，如下所示:

(14)

所以可得:

(15)

(16)

定義:

則:

(18)

2　電液位置伺服系統(tǒng)的變結(jié)構(gòu)控制器設(shè)計(jì)

滑模變結(jié)構(gòu)控制器可使被控系統(tǒng)在一定特性下沿規(guī)定的狀態(tài)軌跡作高頻抖振，容易激發(fā)系統(tǒng)的未建模特性，影響系統(tǒng)的實(shí)際控制性能，同時(shí)對(duì)電液位置伺服系統(tǒng)來(lái)說(shuō)需要獲得零穩(wěn)態(tài)控制誤差，因而選擇在線(xiàn)性滑模面的基礎(chǔ)上引入積分環(huán)節(jié)。

設(shè)計(jì)如下的切換函數(shù):

(19)

其中，c1、c2為滑模面參數(shù)，選擇[c2c11]滿(mǎn)足Hurwitz多項(xiàng)式；k為積分增益，且k∈R+。

即為了進(jìn)一步消弱滑模抖動(dòng)，選擇指數(shù)趨近率如下：

(20)

其中，K、ε為調(diào)整參數(shù)，K、ε∈R+。選擇較小的ε值，較大的K值，可使得系統(tǒng)在遠(yuǎn)離切換面時(shí)趨近速度快，在切換面附近時(shí)漸進(jìn)速度減緩,從而減小過(guò)渡過(guò)程時(shí)間又有效地削弱控制信號(hào)的高頻抖振。

將式(19)對(duì)時(shí)間進(jìn)行微分并將式(8)代入可得:

(21)

不考慮系統(tǒng)的不確定、擾動(dòng)時(shí)，可得滑?？刂茷?

a1e2-a2e3+Ks+εsgn]

(22)

(23)

由式(8)、式(18)、式(21)可得:

式中廣義擾動(dòng)f的估計(jì)誤差為:

(25)

可得:

(26)

3　滑?？刂破魇諗啃浴⒎€(wěn)定性分析

為了使整個(gè)跟蹤伺服系統(tǒng)能夠?qū)θ我庥薪绲奈恢眯盘?hào)實(shí)現(xiàn)全局漸近的穩(wěn)定跟蹤，且系統(tǒng)中涉及到的狀態(tài)變量和參數(shù)估計(jì)全部能達(dá)到一致有界性，引入下面的Lyapunov函數(shù)。

式中，k0、k1、k2、k3、k4、k5、γv、γ0、γ1均為正常數(shù)。

對(duì)式(27)求導(dǎo)，并將式(22)、式(26)代入可以得到:

(28)

4　電液位置伺服系統(tǒng)滑模自適應(yīng)控制仿真

為了驗(yàn)證本研究所提的滑模自適應(yīng)控制方法,利用MATLAT對(duì)某一電液位置伺服系統(tǒng)進(jìn)行了仿真研究，并與PID控制方法進(jìn)行了比較。圖1、圖2分別為PID方法和滑模自適應(yīng)方法在位置輸入為0.01 mm階躍時(shí)的控制效果，其中圖1a為位置跟蹤誤差曲線(xiàn)，圖1b為其細(xì)節(jié)曲線(xiàn)。

圖1　PID方法位置跟蹤誤差

圖2　滑模自適應(yīng)方法位置跟蹤誤差

從圖1、圖2在低速情況下的位置跟蹤誤差響應(yīng)曲線(xiàn)可以看出， PID控制方法的上升速度盡管稍快一些，但其超調(diào)量大，振蕩次數(shù)多，調(diào)節(jié)時(shí)間較長(zhǎng)，且其穩(wěn)態(tài)誤差不為零，因此本研究所提出的方法對(duì)系統(tǒng)非線(xiàn)性摩擦在低速時(shí)的補(bǔ)償效果較好。

圖3、圖4分別為PID方法和滑模自適應(yīng)方法在位置輸入為0.01 mm階躍時(shí)的控制信號(hào)曲線(xiàn)。其中圖3a為PID方法的控制信號(hào)曲線(xiàn)，圖3b為其細(xì)節(jié)曲線(xiàn)。

圖3　PID方法控制信號(hào)曲線(xiàn)

從圖3、圖4的控制信號(hào)曲線(xiàn)可以看出，PID的控制信號(hào)在有些情況很大，在控制期間變化量也很大，滑模自適應(yīng)方法的控制信號(hào)振蕩較為平滑、變化量小，本文所提方法使系統(tǒng)具有較強(qiáng)的穩(wěn)定性。

5　結(jié)論

本研究針對(duì)一類(lèi)存在參數(shù)不確定性,且含有非線(xiàn)性摩擦擾動(dòng)的電液伺服位置控制系統(tǒng),提出了基于LuGre摩擦模型的滑模魯棒自適應(yīng)控制方法,在滑模變結(jié)構(gòu)控制方法中引入了魯棒自適應(yīng)控制設(shè)計(jì)的方法, 該控制方法計(jì)算簡(jiǎn)單，能對(duì)參數(shù)進(jìn)行在線(xiàn)實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)，實(shí)用性強(qiáng)，無(wú)須具有先驗(yàn)知識(shí)，較為成功地消除了系統(tǒng)不確定性及非線(xiàn)性摩擦擾動(dòng)對(duì)控制性能的影響,從而達(dá)到魯棒跟蹤控制位置輸入的目的。仿真結(jié)果表明,采用本研究提出的控制器設(shè)計(jì)方法,在電液伺服系統(tǒng)低速時(shí)的位置跟蹤控制中能很好地克服系統(tǒng)的非線(xiàn)性擾動(dòng)、參數(shù)不確定性以的影響,達(dá)到較高的位置跟蹤精度。

本研究引入的積分滑模面盡管可以有效的抑制滑模變結(jié)構(gòu)控制方法固有的“抖振”現(xiàn)象，但從仿真曲線(xiàn)的細(xì)節(jié)圖可以看到，位置輸出曲線(xiàn)仍然存在著較小的抖動(dòng)，因此本文設(shè)計(jì)控制器還需在此方面進(jìn)一步完善。

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