一种复合式液压双缸同步控制方法

摘要

本发明公开了一种复合式液压双缸同步控制方法，首先在离线状态下建立液压双缸系统的三阶数学参考模型，通过构造线性反馈控制器，使得闭环系统保持稳定；为了抑制油压和负载波动以及未知的系统动态对同步精度带来的影响，利用液压缸加速度信息和比例阀的阀芯位移信息，构造同步干扰滑模估计器；同时，为了进一步抑制双缸同步的跟踪误差，引入同步误差比例前馈项。与现有的基于扰动观测器的技术相比，本发明本质上提高了液压双缸的同步跟踪精度，通过增大反馈控制器带宽增益，可提高单个液压缸的位置跟踪误差收敛速度；通过增大估计器的带宽增益，可提高液压系统未知动态的估计精度；通过增大同步误差前馈增益，可降低液压双缸的同步跟踪误差。

权利要求

1.一种复合式液压双缸同步控制方法，其步骤如下：

由两个比例阀和两个液压缸组成的液压双缸同步控制系统，两个所述液压缸各对应一个所述比例阀；每个比例阀的两个工作油口分别连接对应液压缸的无杆腔和有杆腔；还包括止回阀，所述止回阀的出油口与两个比例阀的进油口均连接；

步骤1，选定液压缸实际的位置xi(i＝1,2)为系统状态，其中，下标i＝1,2分别表示液压缸一和液压缸二下的参数信息，在离线状态下建立液压系统的数学参考模型∑n，其中，Vn表示液压缸标称的进回油侧总容积，mn表示液压缸标称的负载质量，βn表示液压缸标称的油液有效弹性模量，An表示液压缸标称的活塞有效面积，Cn表示比例阀标称的阀口流量系数，Wn表示比例阀标称的阀口面积梯度，Pn表示液压油的标称油压，ρn表示液压油的标称密度，ui为比例阀的阀芯位移， 表示液压系统未知的动态，Ti表示液压缸受到的外部干扰力矩；

步骤2，根据液压缸期望的位置xr，得到位置偏差信号exi＝xr-xi，构造线性反馈控制器uni，其中，[k1i,k2i,k3i]T表示反馈比例增益矩阵，ωc表示反馈控制器的带宽增益；

步骤3，根据液压缸实际的位置xi，得到液压缸实际的加速度 结合步骤1中建立的数学参考模型，构造同步干扰滑模估计器∑o，其中， 表示液压缸实际加速度信息的估计值， 表示液压系统未知动态的估计值，[a0i,a1i,a2i]T表示估计器的增益矩阵，L表示估计器的带宽增益；

步骤4，根据步骤3中得到的未知动态估计值 构造非线性前馈控制器ufi，其中，ksi表示同步误差前馈增益， 表示液压缸期望的加加速信息；

步骤5，根据步骤2中得到的线性反馈控制器uni和步骤4中得到的非线性前馈控制器ufi，计算得到设定的阀芯位移ui＝uni+ufi。

2.根据权利要求1所述的复合式液压双缸同步控制方法，其特征是：步骤1中所述液压缸实际的位置xi由安装在液压缸上的位移传感器获得。

3.根据权利要求1所述的复合式液压双缸同步控制方法，其特征是：步骤3中所述液压缸实际的加速度 由微分器实现。

4.根据权利要求1所述的复合式液压双缸同步控制方法，其特征是：步骤5中所述设定的阀芯位移最终转化为模拟量电流信号输出。

5.根据权利要求1所述的复合式液压双缸同步控制方法，其特征是：步骤2中反馈比例增益矩阵[k1i,k2i,k3i]T的选取条件是，使得特征方程λ3+k3iλ2+k2iλ+k1i＝0的根均在复平面的左半平面内。

6.根据权利要求1所述的复合式液压双缸同步控制方法，其特征是：步骤3中估计器增益矩阵[a0i,a1i,a2i]T的选取条件是，满足矩阵中的各元素均大于零。

说明书

一种复合式液压双缸同步控制方法

技术领域

[0001] 本发明涉及一种液压双缸同步控制方法，具体说是一种复合式液压双缸同步控制方法。

背景技术

[0002] 液压伺服系统由于其响应速度快、负载刚度强、控制功率大等独特的优点，在工业控制中得到了广泛的应用。随着科技的进步，采用液压技术的工程装备趋向大型化发展，单一的执行元件已满足不了大型工程装备的工况要求，这样就需要多执行元件同步动作解决这一问题。由于实际工业系统中存在着很多影响液压伺服系统性能的因素，如油压波动、负载干扰、模型参数不确定性等，这些非线性扰动将会降低系统的定位精度。因此，在双缸或多缸同步运行系统中，必须设计特定的控制策略来抑制上述干扰因素，以保证不同液压缸之间的同步性，否则会对机械装备造成损坏。

[0003] 目前，现有的液压双缸同步控制策略仍主要以PID控制为主，在负载变化和油压波动的影响下，同步精度将受到严重影响。近些年，不少研究通过结合智能控制策略来抑制上述干扰，提高同步精度。如中国发明专利《一种协同式高精度液压双缸同步系统及其控制方法》(授权公告号CN 103388602B)，通过采用模糊控制策略对液压缸实现协同速度控制，文献《基于模糊理论的双缸液压系统同步控制研究》(刘爱玲等，液压与气动，2016，4:44-47)，公开了基于模糊控制理论建立对称双缸液压系统的模糊前馈控制器。虽然这类方法的实现不依赖系统的数学模型，但由于其没有有效利用模型的先验知识，其控制精度往往不能达到理想的效果。另外，由于仅采用了反馈控制的设计思想，上述相关策略在系统的动态响应性能上也受到一定的影响。

发明内容

[0004] 本发明所要解决的技术问题在于，克服现有技术存在的缺陷，提出了一种复合式液压双缸同步控制方法。利用液压缸的加速度信息和比例阀的阀芯位移信息，构造同步干扰滑模估计器，对影响同步跟踪精度的因素的不确定性进行精确估计与补偿，提高了估计性能；同时引入干扰前馈补偿项和同步误差补偿项，提高了液压双缸的同步跟踪精度。

[0005] 本发明基本思路是，首先在离线状态下建立液压双缸系统的三阶数学参考模型，通过构造线性反馈控制器，使得闭环系统保持稳定；为了抑制油压和负载波动以及未知的系统动态对同步精度带来的影响，利用液压缸加速度信息和比例阀的阀芯位移信息，构造同步干扰滑模估计器；同时，为了进一步抑制双缸同步的跟踪误差，引入同步误差比例前馈项；最终，得到一种复合式液压双缸同步控制方法。

[0006] 本发明实现为实现发明目的所提出的技术方案是：

[0007] 一种复合式液压双缸同步控制方法，其步骤如下：

[0008] 步骤1，选定液压缸实际的位置xi(i＝1,2)为系统状态，其中，下标i＝1,2分别表示液压缸一和液压缸二下的参数信息，在离线状态下建立液压系统的数学参考模型Σn，[0009]

[0010] 其中，Vn表示液压缸标称的进回油侧总容积，mn表示液压缸标称的负载质量，βn表示液压缸标称的油液有效弹性模量，An表示液压缸标称的活塞有效面积，Cn表示比例阀标称的阀口流量系数，Wn表示比例阀标称的阀口面积梯度，Pn表示液压油的标称油压，ρn表示液压油的标称密度，ui为比例阀的阀芯位移， 表示液压系统未知的动态；

[0011] 步骤2，根据液压缸期望的位置xr，得到位置偏差信号exi＝xr-xi，构造线性反馈控制器uni，

[0012]

[0013] 其中，[k1i,k2i,k3i]T表示反馈比例增益矩阵，ωc表示反馈控制器的带宽增益；

[0014] 步骤3，根据液压缸实际的位置xi，得到液压缸实际的加速度 结合步骤1中建立的数学参考模型，构造同步干扰滑模估计器∑o，

[0015]

[0016] 其中， 表示液压缸实际加速度信息的估计值， 表示液压系统未知动态的估计值，[a0i,a1i,a2i]T表示估计器的增益矩阵，L表示估计器的带宽增益；

[0017] 步骤4，根据步骤3中得到的未知动态估计值 构造非线性前馈控制器ufi，[0018]

[0019] 其中，ksi表示同步误差前馈增益， 表示液压缸期望的加加速信息；

[0020] 步骤5，根据步骤2中得到的线性反馈控制器uni和步骤4中得到的非线性前馈控制器ufi，计算得到设定的阀芯位移ui＝uni+ufi。

[0021] 步骤1中所述液压缸实际的位置信息xi由安装在液压缸上的两个位移传感器获得；

[0022] 步骤3中所述液压缸实际的加速度 由微分器实现；

[0023] 步骤5中所述设定的阀芯位移最终转化为模拟量电流信号输出。

[0024] 进一步优化方案：为保证闭环系统的稳定性，步骤2中反馈比例增益矩阵[k1i,k2i,k3i]T的选取需使得特征方程λ3+k3iλ2+k2iλ+k1i＝0的根均在复平面的左半平面内，步骤3中估计器增益矩阵[a0i,a1i,a2i]T的选取需满足矩阵中的各元素均大于零。

[0025] 通过增大反馈控制器带宽增益ωc，可以提高单个液压缸的位置跟踪误差收敛速度；通过增大估计器的带宽增益L，可以提高液压系统未知动态的估计精度；通过增大同步误差前馈增益ksi，可以降低液压双缸的同步跟踪误差。

[0026] 与现有技术相比，本技术的有益效果如下：

[0027] 本发明利用液压缸的加速度信息和比例阀的阀芯位移信息，构造同步干扰滑模估计器，对影响同步跟踪精度的因素，如油压和负载波动以及未知的系统动态等不确定性进行精确估计与补偿，与传统的扩张状态观测器(ESO)和扰动观测器(DOB)相比，提高了不确定性估计性能；本发明同时引入干扰前馈补偿项和同步误差补偿项，从本质上提高了液压双缸的同步跟踪精度。

附图说明

[0028] 图1是本发明复合式液压双缸同步控制方法设计框图。

[0029] 图2是液压双缸系统的结构示意图。

[0030] 图3是线性反馈控制器uni的实现框图。

[0031] 图4是非线性前馈控制器ufi的实现框图。

[0032] 图5液压双缸的位置跟踪曲线。其中，图5a是PID控制器液压双缸的位置跟踪曲线；图5b是本发明控制器液压双缸的位置跟踪曲线。

[0033] 图6是比例阀的阀芯位移曲线。其中，图6a是PID控制器比例阀的阀芯位移曲线；图6b是本发明控制器比例阀的阀芯位移曲线。

[0034] 图7是双缸同步跟踪误差曲线。

具体实施方式

[0035] 下面结合实施例和附图，对本发明作进步详细说明。

[0036] 实施例：本实施例所研究的液压系统标称参数见表1(其中，下标n表示相应参数的标称信息)。

[0037] 表1

[0038]符号 含义 数值
Vn 进回油侧总容积 1.16×10-4m3
mn 负载质量 100kg
βn 油液有效弹性模量 7×108Pa
An 活塞有效面积 1.5×10-3m2
Cn 阀口流量系数 0.8
Wn 阀口面积梯度 0.0628cm
Pn 液压油油压 5×107Pa
ρn 液压油密度 900kg/m3
Bn 粘性阻尼系数 90N·m·s/rad
Cln 泄漏系数 1×10-12m3/s/Pa
kn 负载弹性刚度 2.1×10-6N/m
。

[0039] 图2给出了液压双缸系统的结构示意图。针对上述液压系统设计同步控制器，具体步骤如下：

[0040] 步骤1，选定液压缸实际的位置xi为系统状态，其中，下标i＝1,2分别表示液压缸一和液压缸二下的参数信息，在离线状态下建立液压系统的数学参考模型∑n，[0041]

[0042] 其中，Vn表示液压缸标称的进回油侧总容积，mn表示液压缸标称的负载质量，βn表示液压缸标称的油液有效弹性模量，An表示液压缸标称的活塞有效面积，Cn表示比例阀标称的阀口流量系数，Wn表示比例阀标称的阀口面积梯度，Pn表示液压油的标称油压，ρn表示液压油的标称密度，ui为比例阀的阀芯位移， 表示液压系统未知的动态。

[0043] 步骤2，根据液压缸期望的位置信息xr，得到位置偏差信号exi＝xr-xi，构造线性反馈控制器uni，

[0044]

[0045] 其中，[k1i,k2i,k3i]T表示反馈比例增益矩阵，ωc表示反馈控制器的带宽增益。

[0046] 步骤3，根据液压缸实际的位置信息xi，得到液压缸实际的加速度信息 结合步骤1中建立的数学参考模型，构造同步干扰滑模估计器∑o，

[0047]

[0048] 其中， 表示液压缸实际加速度信息的估计值， 表示液压系统未知动态的估计值，[a0i,a1i,a2i]T表示估计器的增益矩阵，L表示估计器的带宽增益。

[0049] 步骤4，根据步骤3中得到的未知动态估计值 构造非线性前馈控制器ufi，[0050]

[0051] 其中，ksi表示同步误差前馈增益， 表示液压缸期望的加加速信息。

[0052] 步骤5，根据步骤2中得到的线性反馈控制器uni和步骤4中得到的非线性前馈控制器ufi，计算得到设定的阀芯位移ui＝uni+ufi。

[0053] 图3和图4分别给出了线性反馈控制器uni和非线性前馈控制器ufi的具体实现框图。

[0054] 对上述各步骤，步骤1中液压缸实际的位置信息xi由安装在液压缸上的两个位移传感器获得；步骤3中液压缸实际的加速度信息 由微分器实现；步骤5中设定的阀芯位移最终转化为模拟量电流信号输出。

[0055] 为保证闭环系统的稳定性，步骤2中反馈比例增益矩阵[k1i,k2i,k3i]T的选取需使得特征方程λ3+k3iλ2+k2iλ+k1i＝0的根均在复平面的左半平面内，步骤3中估计器增益矩阵[a0i,a1i,a2i]T的选取需满足矩阵中的各元素均大于零。

[0056] 另外，本发明所设计的控制器参数调节规则如下：通过增大反馈控制器带宽增益ωc，可以提高单个液压缸的位置跟踪误差收敛速度；通过增大估计器的带宽增益L，可以提高液压系统未知动态的估计精度；通过增大同步误差前馈增益ksi，可以降低液压双缸的同步跟踪误差。

[0057] 为了进一步说明本发明的有效性，设置以下液压双缸系统运行工况：

[0058] 给定液压缸期望的位置信息xr＝5cm；

[0059] 模型的标称信息存在10％的参数摄动；

[0060] 油压设定为P＝1.1Pn+0.1Pnsin(4πt)，存在小幅的正弦波动；

[0061] 外部负载干扰设定为 即在2s时存在负载突变。

[0062] 根据参数选取原则，结合本实例中液压系统的模型参数，本发明控制参数设置见表2

[0063] 表2

[0064]

[0065] 同时，为了比较控制方案的有效性，与基于普通的PID控制器方案进行了比较，PID控制器设计为：

[0066]

[0067] 参数选取为：

[0068]

[0069] 其中Ts为控制周期，本发明中设置为1ms。

[0070] 图5和图6分别给出了液压双缸的位置跟踪曲线和阀芯的位移曲线，图6给出了两种方法下的双缸同步跟踪误差曲线。从试验结果可以看出，本发明提供的高精度复合式液压双缸同步控制器设计方法可以很好地抑制油压和负载波动对同步跟踪精度带来的影响，并且可以提高液压伺服系统的动态响应性能。