基于干扰补偿的电液位置伺服系统连续滑模控制方法
【技术领域】
[0001] 本发明属于电液伺服控制技术领域，特别是一种基于干扰补偿的电液位置伺服系 统连续滑模控制方法。
【背景技术】
[0002] 液压伺服系统具有功重比大、响应快及抗负载刚性强等突出优点，在众多重要领 域内得到广泛运用。电液伺服系统是一个典型的非线性系统，包含许多非线性特性和建模 不确定性干扰。随着电液伺服系统向高精度、高频响发展时，系统呈现的非线性特性对系统 性能的影响越显著，而且干扰的存在会使以系统名义模型设计的控制器不稳定或降阶，因 此电液伺服系统非线性特性和干扰是限制系统性能提升的重要因素。随着工业及国防领域 技术水平的不断进步，以往基于传统线性理论设计的控制器已逐渐不能满足系统的高性能 需求，因此必须针对电液伺服系统中的非线性特性和存在的干扰研究更加先进的非线性控 制策略。
[0003] 针对电液伺服系统的干扰和非线性控制的问题，许多方法相继被提出。在液压位 置伺服系统控制器的设计中，针对电液伺服系统存在的多种干扰，反馈线性化控制的基本 思想是通过在控制器中对非线性函数进行精确补偿以使误差动态线性化。虽然理论上可 以获得完美的渐近跟踪性能，但是实际系统的模型是不可能精确已知的，总会存在建模误 差，因此会恶化理论分析获得的跟踪性能。而由于系统中存在不匹配干扰，传统的滑模控制 方法的基本思路是通过增大控制器的鲁棒性来克服不匹配和匹配干扰从而到达滑模面，但 是，即使到达滑模面后，系统地跟踪误差在不匹配干扰的影响下仍然无法为零，只能得到一 个和不匹配干扰上确界相关的一个一致有界的稳态跟踪误差。并且，通过增大不连续项增 益的方法来增加控制器的鲁棒性，在实际运用中很可能激发系统高频动态，使系统失稳。同 时，由于滑模控制方法在进行控制器设计中使用了符号函数，从而使得控制器的输出不连 续，虽然有的滑模控制策略补偿了系统存在的干扰使得不连续项增益大为减少，削弱滑模 控制的抖振，但因为控制器表达式中始终存在不连续项，从而使得滑模控制方法始终存在 抖振，无法根除抖振，因而传统的滑模控制方法具有很大的工程局限性。
【发明内容】
[0004] 本发明的目的在于提供一种基于干扰补偿的电液位置伺服系统连续滑模控制方 法。
[0005] 实现本发明目的的技术解决方案为：一种基于干扰补偿的电液位置伺服系统连续 滑模控制方法，包括以下步骤：
[0006] 步骤1、建立电液位置伺服系统的数学模型；
[0007] 步骤2、设计电液位置伺服系统两通道的干扰观测器；
[0008] 步骤3、设计基于干扰观测器的连续滑模控制器。
[0009] 本发明与现有技术相比，其显著优点是：
[0010] (1)本发明消除滑模控制策略中的不连续项的同时保证了该方法的强鲁棒性，使 得滑模控制器的输出连续化，彻底消除了滑模控制的抖振问题；
[0011] (2)在系统同时存在匹配和不匹配干扰和强非线性的情况下使用滑模控制方法依 旧获得了渐近跟踪的稳态性能，保证了电液位置伺服系统良好的控制性能；
[0012] (3)本发明设计干扰观测器观测了液压位置伺服系统第二通道和第三通道的干 扰，并在控制器中将其完全补偿，抑制了干扰对控制性能的影响；
[0013] (4)在控制器中不使用系统的加速度信号，削弱了测量噪声对跟踪性能的恶化，利 于在工程实际中运用。
【附图说明】
[0014] 图1为本发明的基于干扰补偿的电液位置伺服系统连续滑模控制方法流程图。
[0015] 图2为本发明的液压位置伺服系统的原理图。
[0016] 图3为本发明的基于干扰补偿的电液位置伺服系统连续滑模控制方法原理示意 图。
[0017] 图4为本发明实施例中系统输出对期望指令的跟踪曲线图。
[0018] 图5为本发明实施例中系统的位置跟踪误差随时间变化的曲线图。
[0019] 图6为本发明实施例中基于干扰补偿的电液位置伺服系统连续滑模控制器（C -SMC)作用下和不确定性补偿的滑模控制器（UC-SMC)作用下及反馈线性化控制器（FLC)作 用下的位置跟踪误差随时间变化曲线图。
[0020] 图7为本发明实施例中基于干扰补偿的电液位置伺服系统连续滑模控制器（C -SMC)作用下系统的控制输入随时间变化的曲线图。
[0021] 图8为本发明实施例中不确定性补偿的滑模控制器（UC -SMC)作用下系统的控制 输入随时间变化的曲线图。
[0022] 图9为本发明实施例中基于干扰补偿的电液位置伺服系统连续滑模控制器作用 下系统的第二通道干扰观测曲线图。
[0023] 图10为本发明实施例中基于干扰补偿的电液位置伺服系统连续滑模控制器作用 下系统的第二通道干扰观测误差随时间变化曲线图。
[0024] 图11为本发明实施例中基于干扰补偿的电液位置伺服系统连续滑模控制器作用 下系统的第三通道干扰观测曲线图。
[0025] 图12为本发明实施例中基于干扰补偿的电液位置伺服系统连续滑模控制器作用 下系统的第三通道干扰观测误差随时间变化曲线图。
【具体实施方式】
[0026] 下面结合附图及具体实施例对本发明作进一步详细说明。
[0027] 结合图1，本发明的液压位置伺服系统的不确定性补偿的滑模控制方法，包括以下 步骤：
[0028] 步骤1、建立液压位置伺服系统的数学模型；
[0029] 步骤1 -1、如图2右半部分所示，液压位置伺服系统为通过伺服阀控制的液压马达 驱动惯性负载的系统构成，图2左半部分为伺服阀控制的液压马达的原理示意图；根据牛 顿第二定律，惯性负载的运动方程为：
[0030] my=PjA-Bi'+ /(v. v,t) Cl)
[0031] 式⑴中m为惯性负载参数；P^r液压马达两腔压差；A为液压马达的排量；B为粘 性摩擦系数；/(>'，.T^)为建模误差，包括m、Pp B的名义值与真实值之间的偏差以及外负载 干扰；y为惯性负载的位移j为惯性负载的速度，为惯性负载的加速度；t为时间变量；
[0032] 液压马达左右两腔的压力动态方程为：
[0034] 式⑵中PjP P 2分别为液压马达两腔的压力，.4和起分别为PjP P 2的导数;V 1 =VM+Ay，V2= V ffi-Ay，VjP V 2分别表示液压马达两腔的控制容积；V ^和V。2分别为液压马 达两腔的初始容积；P <3为有效油液弹性模量；C t为内泄漏系数；q i (t)和q2 (t)分别为PjP P2动态方程的建模误差；Q i和Q 2分别为液压马达的进油腔流量和回油腔流量；Q :和Q2与伺 服阀位移Xv的关系为：
[0038] 其中，kq为流量增益，C d流量系数；《为阀芯面积梯度；P为油液密度；P s为供 油压力，Pr为回油压力；液压马达两腔压力满足0 SPrSP1SPwO <Pr<P2< P s，|P」 <<PS;
[0039] 由于考虑伺服阀动态需要安装额外的位移传感器来获取伺服阀阀芯的位移，而且 对于跟踪性能只有微小的提升；因此大量相关的研究都忽略伺服阀的动态，假设采用的是 高响应的伺服阀，阀芯位移与控制输入近似为比例环节即X v= k lU，故式（3)可以写成
[0041] 式（5)中kt= k A代表总的流量增益，k 伺服阀增益，u为液压位置伺服系统
[0042] 步骤1 - 2、定义状态变量：X= =[鳥九,则系统的状态方程 为：
[0044]式（6)中m、B、f3e、A、kt、VQ1、VjPC在观测器和控制器的设计中为名义值，其 与真实值之间的偏差集中归类到系统干扰中处理，在第二通中是d(x，t)，在第三通道中是 q(t);其中：
[0046] 由于液压系统参数m，B，Pe，kdPCt受各种因素（如温度、组件磨损程度等）影响 变化很大，因此为了简化系统状态方程，定义：
[0047]
[0048] 因为IPlI <<Ps，从而g(X)乒0;第二通道干扰(I1(X，t)和第三通道干扰d2(X，t) 都是有界的，BP: Id1U, t) I 彡D1,Id2