基于定量反馈理论设计液压执行元件的鲁棒控制器

　　1 前言

　　液压系统由于其刚度、压力及高负载能力方面的优势，对现代工业而言潜力巨大。它的使用领域很广，从重型机械手到精密机械工具都可以使用。液压执行元件具有不确定负载的能力，这些负载可经常造成电子元件的过热。由于液压系统具有较高的压力/重力比和快速响应时间，液压系统的应用也必须要满足环境的要求。然而，对液压系统的使用也并非是不需任何成本的。液压系统是复杂的且状态是非线性的，这种非线性使反馈控制器的建模和设计具有挑战性。非线性主要是由于伺服阀的流量---压力特性、流口开度面积、在压力下的流体容积变化、气蚀和密封件的摩擦造成的。除非线性外，液压系统也包含了大量的模型不确定因素（Yao, Bu, Reedy & Chiu,1999）。这些不确定因素来源于泵出口压力的变化、诸如体积模量等液压参数的变动以及环境刚度的改变。为解决这些问题，相关人员已经进行了大量的研究。本文将针对液压执行元件在环境和液压系统功能两方面的不确定性问题，探讨用于液压执行元件的力控制问题。

　　一直以来，液压执行元件上的力控制是都一个难题。传统的PID控制器在操作条件超过所限定的范围时不能正常地进行工作（Alleyne,liu & Wright, 1998; Nilsefat和Sepshri,1999）。所以，一些研究人员考虑使用可调节的刚性模型控制技术。比如，Chen, Lee和Tseng(1990)曾设计了一个用于可变结构单杆液压缸的力控制器。利用活塞杆的位置、速度、加速度、力和压力反馈信号，可变结构控制器可用于静态和动态的力控制任务中。但是，这种控制器在阶跃输入下出现了稳态误差且控制信号不连续的问题。Alleyne和Hedrick曾在1995年尝试把可调力控制运用于一个双杆液压缸的灵活补偿系统中，液压执行元件的非线性动力学被考虑并被用公式表示成一个非线性控制准则。Vossoughi和Donath(1995)制定了线性反馈的公式来实现电动液压的控制。他们的这种方法考虑到了与非对称操作、流体容积的变动、压力流量特性和下置阀有关的非线性。所以，线性反馈合并了一些状态的辅助测量值，这种方法至少考虑了负载的位置、速率和液压管压力的测量值。 这使得他们的方法较少地应用于工业使用。1998年，Wu, Sepshri和Ziaei提出了一个用于液压执行元件的通用的预测式的力控制算法，对控制器在各种环境刚度下进行了试验评估。但是，这种方法非常依赖在线参数评估，因此需要耗费大量的计算时间。Conrad和Jensen(1987)也曾探讨过单个液压活塞上的力控制问题。在他们的仿真和试验中，合并使用了速率反馈和Luenberger观测器。但是，在他们的研究中，没有考虑负载和供给压力的变化。其中，鲁棒控制算法也得到了研究以设计液压控制元件。Laval，M’Sirdi和Cadiou（1996）使用了一个H 线设计方法来控制两个对称的液压缸所产生的力。其中特别突出了在控制系统运行中环境的不确定性和液压函数的非线性的重要性，并严格限制了这两方面的因素对测试结果的影响。结果证明他们在了稳定性和性能权衡方面取得的成就。但是，据报道，基于H 的控制器通常所需的高标准使它们在实际使用中困难重重。(Landau, Rey, Karimi, Voda & Franco 1995).