一种单出杆液压缸位置伺服系统的输出反馈控制方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及一种电液控制方法，具体涉及一种单出杆液压缸位置伺服系统输出反 馈控制方法。
【背景技术】
[0002] 电液伺服系统以其商响应、商精度、大功率、系统刚度大和抗干扰能力强等优点， 在航天、航空、航海、兵器、矿山、冶金及民用等方面都得到了广泛应用。单出杆液压缸相对 于双出杆液压缸具有工作空间小、结构简单等优点，在液压系统中应用十分广泛，尤其适 用于空间有限、控制性能要求较高的使用场合。但是由于单出杆液压缸系统存在着严重的 非线性问题和建模不确定性以及诸多弊端。如在对称阀控制单出杆非对液压缸电液伺服系 统实现运动换向时，液压缸两腔容易出现气蚀和超压等现象，同时液压缸两腔面积不等导 致正反向运动时液压系统刚度不等，造成系统动态特性不对称，特别是速度特性非对称， 如果系统需要达到正反向运动最大速度相等，则增加了系统对流量的需求，从而增加了液 压源的体积和成本。因此，为单出杆液压缸系统设计高性能的控制器异常困难。
[0003] 在传统控制方式越来越难以满足单出杆液压缸系统高精度控制要求的情况下，研 究简单实用且满足系统高精度控制性能需求的控制方法显得尤为迫切。近年来，各种先进 控制策略应用于电液伺服系统，如滑模控制、自适应鲁棒控制、自适应积分鲁棒控制、自适 应反步控制、间接自适应反步控制等。但上述控制策略控制器设计均比较复杂，不易于工程 实现
[0004] 此外，所有上述方法中使用的全状态反馈控制方法，在运动控制中，不仅需要位置 信号，还需要速度和/或加速度信号以及液压缸腔室内部压力信号。但对于许多应用中，由 于降低成本的需要，仅位置信息可知。此外，严重的测量噪声通常会污染所测的速度和加速 度信号，进而恶化实现性能的全状态反馈控制器。因而，仅在位置信息可知的情况下，设计 单出杆液压缸的高性能控制器尤为重要。
【发明内容】
[0005] 本发明在只有阀控单出杆液压缸伺服系统位移可知的前提下，针对阀控单出杆液 压缸伺服系统中存在的不确定非线性问题，提出一种单出杆液压缸位置伺服系统输出反馈 控制方法。
[0006] 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。
[0007] 为达成上述目的，本发明提出一种单出杆液压缸位置伺服系统输出反馈控制方 法，包括以下步骤：
[0008] 步骤一、建立单出杆液压缸位置伺服系统模型
[0009] 根据牛顿第二定律，单出杆液压缸惯性负载的动力学模型方程为：
[0010] my = PiAi -P2A2 -by + f(t,y,y) (1)
[0011] 其中y为负载位移，m表示惯性负载，PJP P2分别为液压缸无杆腔和有杆腔的压 力，4和A 2分别为液压缸无杆腔和有杆腔的有效工作面积，b代表粘性摩擦系数，f代表其 他未建模干扰，包括非线性摩擦、外部干扰以及未建模动态。
[0012] 液压缸流量连续性方程为：
【主权项】
1. 一种单出杆液压缸位置伺服系统输出反馈控制方法，其特征在于，包括以下步骤： 步骤一、建立单出杆液压缸位置伺服系统模型； 步骤二、在所建立的伺服系统模型基础上，设计基于扩张状态观测器的单出杆液压缸 高精度控制器；以及 步骤三、调节控制律的参数，使系统满足控制性能指标。
2. 根据权利要求1所述的单出杆液压缸位置伺服系统输出反馈控制方法，其特征在 于，前述步骤一中的建立单出杆液压缸位置伺服系统模型，其实现包括： 根据牛顿第二定律，单出杆液压缸惯性负载的动力学模型方程为： my = PiAi -P2A2 -by + f(t,y,y) (I) 其中y为负载位移，m表示惯性负载，PJP P 2分别为液压缸无杆腔和有杆腔的压力，A i 和A2分别为液压缸无杆腔和有杆腔的有效工作面积，b代表粘性摩擦系数，f代表其他未建 模干扰，包括非线性摩擦、外部干扰以及未建模动态。 液压缸流量连续性方程为：
其中液压缸V1= V μ+Α"和V2= V Cl2-A2y分别为液压缸无杆腔有效容积和有杆腔有效 容积，Vtll和V %分别为液压缸无杆腔初始容积和有杆腔初始容积，Ctm为液压缸内泄露系数， C 分别为液压缸两个腔室的外泄漏系数，Q i为液压缸无杆腔供油流量，Q 2为液压缸 有杆腔回油流量，/p /2分别代表建模误差； QJP Q 2为伺服阀阀芯位移XV的函数：
其中t 分别为流量伺服阀的增益系数，Cd为伺服阀的 流量系数，W1, W2分别为伺服阀的面积梯度；P为液压油的密度，Ps为供油压力，P 回油 压力； 假设伺服阀阀芯位移正比于控制输入u，即，Xv= k iU，其中ki>0是比例系数，u是控制 输入电压，因此，等式（3)转化为：
其中 ktl= I^ki, kt2= I^ki; 令n = Α2/Αι = w 2/Wl，液压伺服系统中，由于压缩流量和泄露流量很小，可得下式：
此时式⑵表达为：
定义状态变量，则整个系统表达成如下状态空间形式：
其中
3.根据权利要求2所述的单出杆液压缸位置伺服系统输出反馈控制方法，其特征在 于，前述步骤二中设计基于扩张状态观测器的单出杆液压缸高精度控制器，具体步骤如 下： 步骤二（一）、根据公式（10)构建单出杆液压缸的扩张状态观测器 首先，将建模不确定性d2扩张成一个额外状态，即定义X 4= d 2，此时系统状态X扩展为 X = [Xl X2 X3 Xl]V令蚱)为状态X4的时间导数，则式（10)转换成如下形式：
假设1七和P 2是有界的，IP J远小于Ps以保证函数h (X 3, u)远离0 ; 由于包含符号函数sign (u), h (x3, u)在u = 0处是不可微的,但是除了 u = 0这一点， h(x3，u)在任意点都是连续可微的，且在u = 0点，h(x3，u)的左导数和右导数是存在且有界 的，因此以下假设是合理的： 假设2 :在定义域内，h (x3, u)关于义3是Lipschitz ; 假设3 :屯和d 2是已知有界的，即d Ζ δ 1; (I1C δ 2; 设计的扩张状态观测器不仅要观测不可测状态，即X2,、X3，还要估计建模不确定性d2， 对控制器进行实时补偿； 令?表示X估计，i = 表示估计误差； 根据式（11)构建线性扩张状态观测器如下： ^ λ% --X0 - 6vv〇 (X1 - X1) ^ m (12) i3 = gx2 + h(x\ ji)i4 + + + x4 - 4\\ζ(x\ - X1) 其中WtlX)为观测器频宽； 状态估计误差为：
其中石=/7(χ;，") - /?(f;,: 令e,. =^/wp，i = 1，2, 3, 4,由式（13)可得：
由于B是Hurwitz，存在P满足： BTP+PB = -21 ； (16) 步骤二（二）、设计基于扩张状态观测器的单出杆液压缸高精度控制器，包括如下步 骤：定义一组函数如下：
其中Z1= X ^XldU)是输出跟踪误差，Ii1X)是一个反馈增益；由于G(s) = Z1 (s)/z2(s) =lAs+lO是一个稳定的传递函数，使得21很小或趋近于零就是让22很小或趋近于零，因 此，控制器设计转变成让2 2尽可能小或趋近于零；