电液位置伺服系统模型辨识与非线性控制

　　电液伺服系统是典型的非线性系统,存在不确定性、时变性、外界干扰和交叉耦合干扰,另外还受到如油液粘度、温度、现场工况等多种“软”参量因素的影响,因此系统精确的数学模型不易建立[1]。为了满足电液伺服系统控制性能的要求,就需要寻求相应的控制策略。

　　传统的PID控制器具有算法简单、稳定性好、可靠性高的特点,但其控制算法采用定常组合方式,很难适应电液伺服系统的多变性、不确定性和强负载干扰。张德华等研究了基于RBFNN的PID控制在电液位置伺服系统中的应用[2]。汤青波等对电液位置伺服系统采用滑模变结构控制[3]。另外,滑模控制与状态反馈精确线性化控制相结合的控制方法,控制算法简单,抗干扰性能好,在液压控制系统中也得到了广泛应用。李春文等研究了非线性系统的状态反馈线性化问题,提出逆系统控制理论,设计了一种原系统的“α阶积分逆系统”,将非线性系统转化成伪线性系统,进行系统的线性控制。

　　模糊控制是一种近年来发展起来的新兴控制算法,其优点是不要求掌握受控对象的精确数学模型,对于系统参数变化和外部扰动的鲁棒性强,但是模糊控制的稳态误差较大[4]。笔者针对电液伺服系统的不确定性,且系统阶次较高的非线性问题,基于电液伺服系统的基本理论,利用MAT-LAB系统辨识工具箱,对电液位置伺服系统进行了模型辨识和验证;设计一种Bang-Bang与模糊PID复合控制器,通过MATLAB的RTW功能将控制器与电液位置伺服系统相连接,在线整定控制器的参数,进行了半实物仿真。仿真分析表明,采用复合控制器控制,系统具有更好的控制性能及更强的抗干扰性,为解决电液伺服系统的非线性控制提供了一种可行的方法。

　　1　电液伺服系统的数学描述

　　典型的电液位置伺服系统如图1所示,工作台作为系统的外部负载与液压缸活塞杆连接,液压缸的位移通过电液伺服阀控制,伺服阀节流口的开度取决于阀的输入电流值。控制的目标是使对象的位置尽可能精确地跟随指定位置的变化。当位置反馈时,由位移传感器反馈位置信号给数据采集(A/D)卡进行A/D转换,与给定值作比较,产生误差信号,从而实现位置闭环控制。这种液压系统可以应用在平板机、磨机、注塑机等装置中。

　　根据液压控制理论推导电液位置伺服系统的数学模型,为模型辨识提供依据,电液伺服阀阀芯位移和负载流量在工作点附近的线性化方程为

　　Q_L=kqxv+kcPL 　　(1)

　　液压缸工作腔流动连续性方程为

　　液压缸的力平衡方程为

　　当实际使用频率大于50 Hz时,电液伺服阀可以看作是一个二阶常用振荡环节[5],则