文摘
阀控缸位置伺服系统具有大输出力和大的力量。特点的液压伺服系统中存在的非线性和不确定性,传统的PID控制很难满足高精度的要求和控制。主动扰动抑制控制(ADRC)认为系统的不确定性和外部干扰的干扰。摘要阀控缸伺服系统是基于自抗扰控制器的设计,描述了其工作原理,建立了数学模型和基于MATLAB-AMESim cosimulation模型。可变负荷恒定负载的情况下,管道和长,比较模拟自抗扰控制器和PID。仿真结果表明,自抗扰控制器可以有效地抑制内部参数变化和外部扰动的负载变化的液压系统,具有较强的鲁棒性和较高的控制精度。这项研究提供了一个参考自抗扰控制器在电液伺服系统中的应用。
1。介绍
阀控缸位置伺服系统是一种常见的液压动力执行系统,与具有输出力大、单位功率体积比大,等等。它已广泛应用于各个领域。然而,电液位置伺服控制系统是时变和非线性,非线性等压力伺服阀的流量和摩擦力。提出了时变参数的各种特性,如泄漏系数,改变负载,阻尼比的变化。相比传统的PID控制策略很简单,但是一些非线性,时变参数系统,它不能实现精确定位控制。为了提高电液位置伺服控制系统的抗干扰能力,同时提高系统的精确控制,专家和学者们研究控制策略,包括自适应控制、滑模控制和模糊控制。考虑到电液伺服系统是非线性的,方和关等。1- - - - - -5提出了一种自适应滑模控制器是。自适应的优点是控制策略和滑模控制器策略可以加强系统的跟踪性能。Zhang et al。6提出了一个multimodel鲁棒自适应控制理论。根据范围的参数不确定性,多个识别模型设计和非线性鲁棒项添加到模型抑制不确定非线性的影响,提高系统的健壮性和瞬态响应性能。Na et al。7,8)提出了一种新的控制方法不使用计划是和任何函数近似者。他们还提出另一种简单,高效,估计方法处理未知动力学和外部干扰机器人的运动控制系统。
1999年,汉9- - - - - -11)提出了主动扰动抑制控制(ADRC)。针对这一事实原来的非线性自抗扰控制器的参数将是复杂的,不方便实用的工业应用,高et al。12- - - - - -17)简化非线性自抗扰控制器的一部分,LADRC提议,方便设置参数,并详细介绍了自抗扰控制器的基本思想和原则。ADRC控制策略不依赖于精确数学模型的控制系统,考虑了系统的不确定性和外部扰动的扰动。扩张状态观测器用于观察内部参数不确定性和外部干扰,以便系统的干扰有效压制。在动力学系统更大数量的不确定性和外部干扰、精确的控制是通过一个ADRC控制器实现。它已经成功地应用在工业过程中,伺服系统控制,汽车发动机控制、航空航天等领域,具有良好的工程应用前景。然而,很少有报道自抗扰控制器用于液压伺服系统(18,19]。
在这篇文章中,一个活跃的扰动抑制控制策略开发解决这些电液位置伺服控制系统固有的非线性行为和建模不确定性。自抗扰控制器的仿真模型是建立利用MATLAB-AMESim cosimulation方法在仿真软件模块库。阀控缸位置伺服系统的物理模型是建立在AMESim软件。根据仿真结果,验证了控制方法的有效性和控制器参数对控制效果的影响进行了分析。
2。数学建模
阀控缸位置伺服系统研究了图所示1。在本控制系统,伺服阀是控制组件和气缸驱动组件。缸位移检测使用位移传感器和反馈ADRC控制器控制伺服阀的开启,这缸位移闭环控制。右边的负载(质量块)是由液压缸驱动的。本文的主要目的是设计控制器,使液压缸位移控制的控制器可以跟踪任何给定位移尽快。
伺服阀的流动方程
在这里,阀门的端口流量系数,伺服阀的梯度,伺服阀的轴位移,伺服阀的进气压力,负载压力,是石油密度。
是象征性的函数如下:
因为伺服放大器的响应速度是快于液压系统,伺服放大器被当作一个比例环节获得轴位移之间的关系( )和控制输入( ),和 在哪里是控制器的增益,伺服阀的增益,是控制器的输入信号。
液压缸的流量连续性方程
在这里,是在液压缸活塞的有效面积,是活塞位移,液压缸的总泄漏系数, ,和液压缸腔的总量。
液压缸的力平衡方程和负载
在这里,活塞的总质量和负载,活塞的粘性阻尼系数和负荷,是弹簧刚度,是意外加载力作用在活塞上。
把状态变量 , ,和 ,他们是位移、速度和加速度,分别。
伺服系统的状态空间表达式 在哪里 , 和是系统的输出位置。
3所示。自抗扰控制器的设计
自抗扰控制器的核心设计是定义一个扩展的状态,以简单的级联积分形式为标准类型,治疗的那部分系统动态,不同于标准的类型(包括系统的不确定性和扰动)的总干扰(包括内部扰动和外部扰动),并定义总扰动进入扩展状态。然后,通过扩张状态观测器,总扰动实时估计和消除,从而恢复控制对象无干扰,不确定性和非线性积分标准系列类型,实现系统的控制。自抗扰控制器的控制系统设计从复杂到简单,从抽象到直观。
线性自抗扰控制器由三部分组成:跟踪微分器、线性扩张状态观测器误差和线性状态反馈控制律,如图2。
自抗扰控制器的设计不需要依赖具体的控制对象的数学模型。它只需要知道系统的相对顺序。设计基于广义被控对象的LADRC公式(6),下面的步骤排列。
3.1。过渡过程
在本文中,“安排过渡”和“Track-Differentiator”相结合来简化控制器结构。如图3,阀控缸位置伺服系统是一个三阶系统,所以两个跟踪微分器串联使用的模拟过程。
安排过渡过程根据设置值如下:
定义fast-optimal控制合成方程的函数(9),
跳频的实现所示以下方程:
在这里,是过滤因子;仿真步长和相关系统的采样频率;是预期的位移信号;和是速度的因素,它决定了速度跟踪预期位移信号。
3.2。扩张状态观测器
建立系统的扩张状态观测器的跟踪和估计系统状态和扰动系统输出和输入:
在这里,它是表示 获得广义控制植物模型:
的实时作用 在系统扩展到一个新的状态变量 ,表示为 和表示 。然后,系统(12)可以扩展到一个新的系统如下:
建立了一个线性状态观测器的扩展系统: 在哪里是输出错误。状态观测器(14)称为扩张状态观测器(ESO)的系统(10),变量被称为扩展的状态,ESO的参数是什么
这组参数是四阶的“继承”对象,下面估计扰动振幅并不局限(11]。
3.3。法律状态误差的反馈
线性状态误差反馈(LSEF)通过状态误差反馈补偿系统干扰。在此系统中,LSEF设计如下: 在哪里 跟踪微分器的输出值, ESO的输出值, 是错误, 是控制器的增益系数,是线性误差反馈控制量。考虑系统的扰动误差,获得最终的输出线性自抗扰控制器的补偿 :
3.4。参数调优
ADRC控制器有许多参数进行调优。根据跟踪微分器的功能,欧洲南方天文台,以及反馈控制律,可以独立设置的参数根据“分离原则”:(1)的参数r主要影响跟踪微分器的性能。当r变得更大,系统变得更快的响应和跟踪精度变得更高,但系统的超调变大。当r小,系统的跟踪速度会变得非常缓慢,甚至无法跟踪参考输入信号。(2)的增加和在一定范围内没有很大的影响系统的控制效果,但当大,系统容易发散振荡和什么时候小,系统的跟踪效果将变得更糟,所以呢 通常是采用。更大的会产生高频噪声信号,导致可怜的系统控制,但小吗将增加振荡的数量和增加幅度,那么普遍呢 ;当减少,系统的跟踪速度放缓,过渡过程趋于稳定,但很容易造成大的相位滞后,所以 。(3) 是唯一的变量相关的控制系统在整个控制器。不同的选择值等于总扰动的变化值在不同的范围;也就是说,补偿组件也会产生相应的变化。的增益控制器的影响系统的相应速度,但超调时太大。一个合适的控制器增益将减少超调。
4所示。Cosimulation建模
因为电液位置伺服控制系统固有的非线性行为和建模不确定性,难以建立精确的数学模型,因此,使用MATLAB和AMESim cosimulation平台是应用于这项工作。机械和液压部分在AMESim制造和控制部分是由MATLAB-Simulink建模。利用AMESim仿真软件的接口技术,结合两个优秀的专业的仿真工具,AMESim的杰出的流体力学仿真性能可以发挥和仿真软件可以利用强大的数字处理能力实现更完美的互补效应。
cosimulation原则阀控缸伺服系统的自抗扰控制器基于MATLAB-AMESim平台如图4。cosimulation AMESim与Simulink仿真的具体实现过程如下:首先,通过界面菜单创建一个接口在AMESim仿真软件连接。接下来,完成子模型模式和参数模式设置。最后,运行液压系统模型为仿真软件生成功能。cosimulation模型建立在MATLAB-AMESim平台如图5,nad表列出系统的主要参数1。
(一)
(b)
自抗扰控制器参数设置如下: , ,和 。
观察者参数
控制器参数
PID控制是最常见和有效的控制方法在工程及其控制器设计如下: 在哪里比例增益,积分增益,是微分增益,e是错误的。这些参数都调到最好的许多测试后。在本文中,自抗扰控制器和PID进行了比较和分析。
5。仿真结果和分析
为了分析系统的自抗扰控制器的动态性能,以下三个仿真场景设计在本节中:(1)在固定负载下的动态响应;(2)可变载荷下的动态响应;(3)动态响应下长管道。自抗扰控制器和PID的控制特点的比较分析。
5.1。在固定负载下的动态响应
当加载力是恒定的,一步反应系统的自抗扰控制器和PID如图6,参考液压缸的位移是200毫米。在这种情况下,PID的参数设置如下:= 200,= 105,= 2.5。图6(一)表明,根据自抗扰控制器和PID,最大上升时间是0.5和1 s,分别;最大调整时间是1.2和5 s,分别;最大超调量为1%和9.5%,分别。图6 (b)显示,与PID相比,自抗扰控制器下的轴位移变化顺利在开放的过程中,有任何影响,最大开放约大80%。
(一)
(b)
图7表示正弦响应下的自抗扰控制器和PID。结果表明,自抗扰控制器的系统可以准确地跟踪参考信号的相位滞后小。在初始阶段,线轴的自抗扰控制器的位移很大,所以液压缸可以快速参考信号。然后,轴位移基本上是一样的PID控制。在整流阶段,液压缸的过度自抗扰控制器控制比PID控制下的小。
(一)
(b)
阶跃响应和正弦响应表明,自抗扰控制器比PID有更多的优势和系统的自抗扰控制器动态响应速度快,控制精度高。
5.2。可变负荷条件下的动态响应
在实践中,通常负载变化,因此有必要研究变量负荷条件下的控制系统的动态特性。在本部分中,仿真过程中加载力是变量。在这种情况下,PID的参数设置如下:= 200,= 85,= 2。
图8显示的实际位移自抗扰控制器和PID控制的液压缸将影响负荷变化的过程中不同程度。然而,ADRC控制器认为外部干扰总扰动和扰动估计和消除实时扩张状态观测器,从而实现精确的控制。因此,系统的自抗扰控制器可以反应更快,可以跟踪参考位移。此外,反应初期的自抗扰控制器,伺服阀的开口很大,移动液压缸快速设置位置。缸位移由PID控制不仅需要很长时间到达设定值变量力也差别很大,导致稳定性差。
(一)
(b)
(c)
5.3。动态响应下长管道
液压管道的一个不可或缺的组成部分的液压系统和扮演的角色连接组件和传输介质。管道的特点有一个很大的影响液压系统的动态和静态特性。当管道短,管道效应可以忽略,但当管道很长,管道效应将导致响应延迟和控制精度将降低。本部分主要论述了长管道系统的动态特性。在仿真中,管道长度被设置为50米,直径25毫米。在这种情况下,PID的参数设置如下:= 105,= 20,= 0.1。
仿真结果如图9表明有一定延迟长管道液压系统的阶跃响应,但自抗扰控制器的延迟很短。调整PID控制的液压缸有很长的时间和大量的过度,而在自抗扰控制器可以快速到达设定位置,和几乎没有超调。可以看出,自抗扰控制器在长管道的液压系统具有明显的优势。
(一)
(b)
6。结论
(1)阀控缸的cosimulation模型基于MATLAB-AMESim平台比数学模型更准确,更接近真实的系统。(2)的结构和基本原理介绍了主动扰动抑制控制;活跃的扰动抑制控制器设计,规则的参数设置是澄清。(3)比较仿真与自抗扰控制器和PID进行恒定负载的情况下,可变负荷、长管道。仿真结果表明,自抗扰控制器可以有效地抑制内部参数变化和外部扰动的负载变化的液压系统,具有较强的鲁棒性和控制精度,潜在的高性能电液系统控制。
数据可用性
使用的数据来支持本研究的结果包括在本文中。
的利益冲突
作者宣称没有利益冲突有关这篇文章的出版。
确认
这项工作得到了中央大学基础研究基金(2019 xkqyms37),山西省的关键研究和发展项目(国际合作)(201903 d421051和201803 d421028)和山西的青年基金项目(201901 d211210)。