电液位置伺服系统鲁棒控制器设计.docxVIP

电液位置伺服系统鲁棒控制器设计 0 自适应逆控制研究 电液服务系统具有功率密度高、响应快、精度高、输出能力大等优点，广泛应用于广泛应用。对于电液位置伺服系统来说,由于外负载干扰及自身的非线性影响,因此,传统的控制器很难满足系统高性能需求,尤其是较高频率段下的性能。对高精度伺服系统,如电液复合转台,人们更关注系统的双十频宽而不是–3 d B频宽。针对其鲁棒性问题,许多方法被广泛讨论。如干扰观测器,通过设计前馈环节提高系统抗干扰的能力。YAO等提出自适应鲁棒控制,期望解决电液位置伺服系统干扰及不可建模因素的影响。基于系统模型的鲁棒控制方法也被广泛研究,该类控制方法期望建立系统名义模型,设计鲁棒控制器使系统输出逼近名义模型的输出。PLUMMER针对电液力伺服系统,基于系统线性模型给出了对负载刚度不敏感的电液力伺服系统鲁棒控制器设计方法。ALLEYNE等基于电液伺服系统的高阶模型,提出以非线性控制提高电液力伺服系统的极限性能。另外,一些研究者成功地将逆控制应用于电液伺服控制。 WINDROW等于1985年提出了较完整的自适应逆控制的理论,将自适应滤波的理念引入控制领域,给出了一种对各种对象类型都可以做出的模型参考控制。但自适应逆控制必须先通过迭代辨识系统的模型,进而才能构筑系统的自适应逆模型。 自适应逆控制建立的是一个广泛的、一般性的控制理论,它对于线性的、非线性的、最小相位的、非最小相位的、稳定的、不稳定的系统都是有效的。然而方法的广泛性也导致了系统复杂性的增加和针对性的丧失。对于大多数系统来说,很多系统的模态及参数是已知的,因此完全可以利用已知的系统信息帮助构建系统的动态逆模型,而不必将系统进行迭代辨识,这更能保证系统动态模型的准确性,同时简化了系统控制器的设计。 1 逆控制一般的控制结构 电液位置伺服系统的一般性问题可描述为反馈经由控制器G(s)得到控制输出u,控制系统D(s)在外干扰Td作用下的位置输出θf跟随位置指令θr,此时系统有力矩Tm的输出,系统模型为一个2×2的矩阵。系统模型及控制器如图1所示。 假设系统模型矩阵可逆,则上述关系如式(1)所示 式中,A1(s)、A2(s)表征了位置系统开环模型,L1(s)、L2(s)为外干扰对系统输出的影响。位置输出θf及力矩输出Tm表征系统与外干扰之间的接口关系,Td为未知外负载干扰。 逆控制一般的控制结构如图2所示。 本文以电液位置伺服系统为研究对象,利用系统已知模型信息,构建系统的逆模型,并在线预估某些非线性的、时变的系统参数,保证系统的动态逆模型准确可靠。在此基础上,构造一个基于系统动态逆模型的前馈控制器和鲁棒控制器,分别用于提高系统的控制精度及鲁棒性。考虑到闭环控制可以有效保证系统静态精度及稳定性,因此,在前馈控制器的基础上,并联了一个传统的闭环控制器。 2 电流位置管理系统的设计 2.1 制器1/qs的设计 电液位置伺服系统的控制器设计如图3所示。系统的控制输出由两部分组成,即位置系统控制器Gθ(s)的输出uf及鲁棒控制器1/Q(s)的输出 这里先假设控制器Gθ(s)为闭环控制器,则 代入式(1)整理可得 并有 式中,ψ表征系统抑制外负载干扰的能力。 由式(6)、(7)可知,控制器的设计原则如下。 (1)鲁棒控制器1/Q(s)的设计必须遵循尽可能最小化ψ原则,即1/Q(s)应尽可能接近A2(s)。 (2)控制器Gθ(s)的设计目标为优化控制系统模型A1(s)的部分。 2.2 基于系统动态逆模型的系统复合控制器的设计 记无扰时的系统模型为R(s),由系统模型可知,要设计的控制器Gθ(s)就是针对无扰时的系统模型。该控制器包含两部分内容,传统的基于反馈的PID控制器,及基于系统模型的前馈控制器。此时系统的控制结构如图4所示。 控制器Gθ(s)的控制输出 式中,Gc(s)为前馈控制器,其表达式为 从上述前馈控制器Gc(s)的表述可知,其表达式正是系统无扰时的近似逆模型。式(9)中之所以是约等于是因为真实系统的完全准确的数学模型R(s)是无法获取的,任何模型辨识方法或者理论模型都只是系统的近似数学表达。另外一般系统模型的分母阶次总是高于分子的阶次,因此其逆模型必然存在较强的微分作用,无形中加大了干扰(如测量噪声等)对系统的影响。因此,在此前馈控制器只取系统无扰模型的近似逆。 下面以阀控马达位置伺服系统为例,给出基于系统动态逆模型的系统复合控制器的设计过程。其他的电液位置伺服系统,也可得到近似的结果。 3 曹内达位置管理系统的输送系统设计 3.1 高阶复杂数学模型 本文以阀控马达为例,建立系统数学模型。 对于电液位置伺服系统而言,所关心的–3d B频带一般都在100 Hz以内,系统双十频宽一般也都在30 Hz以内。对所研究阀控电液位置伺服系统开环扫频,可得系统开环伯德图,如图5所