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电液位置伺服控制系统的模糊滑模控制方法研究

靳宝全  
【摘要】: 近年来,随着科技的发展,采用电液伺服控制的机械系统愈来愈复杂,并且存在非线性、参数不确定性、机械谐振、未建模动态特性、传感器动力学特性、外负载干扰等因素影响,对控制系统的精度、响应能力、稳定性及鲁棒性的要求则愈来愈高,系统的复杂性与苛刻的控制性能要求之间形成了尖锐的矛盾。 滑模变结构控制是一种非线性控制器,当系统状态穿越状态空间的不同区域时,反馈控制器的结构按照一定的规律发生变化,使得控制系统对被控对象的内在参数变化和外部扰动具有一定的适应能力,保证系统的性能达到期望的品质。滑模变结构控制系统的鲁棒性要比一般常规的连续控制系统强。但是对于一个实际的滑模变结构控制系统,控制力受限、系统惯性、切换开关的时间与空间滞后、检测误差及离散化形成的准滑模等,都会造成抖振。抖振现象给变结构控制在实际系统中的应用带来了困难,因此对其控制信号抖振的消弱成为变结构研究的热点问题。在解决抖振问题的研究上,国内外研究者提出了许多方法,这些方法要么在消弱抖振的同时也降低了系统鲁棒性,要么系统过于复杂,无法应用到实际工程领域。因此,设计一种满足实时性、鲁棒性要求,并有效抑制抖振的先进滑模变结构控制策略具有重要的理论意义与工程应用价值。 滑模变结构控制和模糊控制是各自独立发展起来的两类控制方法,二者都是对不确定系统进行控制的有效方法,它们的结合会进一步提高控制效果。本文针对滑模变结构控制存在的问题,设计模糊滑模变结构控制器,通过控制特性的互补来获得满意的控制性能。作者提出按照系统的实时性和鲁棒性的要求设计模糊滑模控制算法,对提出的方法进行理论分析、混合仿真以及系统的试验验证,从而为可靠的工程应用奠定理论和方法基础。 电液控制系统影响因素复杂,不能用精确模型来描述其所有特性,所以,在控制系统的分析和设计中,往往采用简化模型。设计中被忽略的因素可能会引起控制系统品质的恶化、甚至导致不稳定。为提高建模精度,在对阀控缸电液位置伺服系统分析的基础上,考虑系统参数不确定性,建立了基于位置变量与偏差变量的系统状态空间模型,通过数字仿真初步确定控制器参数。为更接近实际系统,使用实际的液压-机械系统物理模型和数字控制器模型,实现阀控缸电液位置控制系统的混合仿真,从而建立一个更加接近实际控制状态的模型。 分析了滑模变结构控制器设计的基本问题及其Lyapunov稳定性,阐述了模糊控制器的设计及其稳定性分析问题,并探讨了模糊理论与滑模变结构理论的几种结合方案。针对现有模糊滑模变结构控制策略的缺陷,提出对模糊滑模变结构控制进行更深入的研究,以满足实际工程应用要求。 针对固定参数的趋近律滑模变结构算法无法根据系统参数的变化和干扰的变化进行实时调整的缺点,提出模糊控制器来调整趋近律参数的方法。基于模糊自适应指数趋近律函数切换滑模控制,对非线性、扰动和参数不确定性有较好的鲁棒性,并且克服了常规滑模抖振大和控制力频繁切换的缺点,且实时性强、控制精度高。将这种方法应用于某大型钢铁集团公司硅钢厂电液单辊CPC控制系统,并以其物理模型与模糊自适应指数趋近律函数切换滑模控制器模型,进行混合仿真。研究表明,系统在综合考虑非线性、扰动及各种参数不确定性的情况下,模糊自适应指数趋近律函数切换滑模控制能够稳定工作,有效地抑制了抖振。 比例滑模策略保留了线性控制的某些优点,但抖振的存在不仅会降低控制精度,甚至会激发系统的未建模动态或引起机械谐振,这些不足严重制约了比例滑模变结构控制在大负载高精度电液位置系统中的应用。为避免抖振对系统精度与稳定性影响,提出了采用模糊模型,根据切换函数及其导数的状态自调整比例滑模切换增益,以柔化控制信号。作者研制的大型钢铁集团公司液压EPC大负载高精度位置伺服系统的混合仿真结果表明,通过模糊理论实现增益自调整,有效降低抖振,既实现了高精度控制,又保留了滑模策略抗参数摄动及抗扰动能力强的特点。 最后以DSPACE平台设计了电液伺服综合试验系统,实现了基于模糊滑模控制策略的快速原型试验。构建了电液伺服综合试验系统的硬件,设计了基于结构不变性原理的电液位置系统加载策略。针对电液位置系统的非线性、参数不确定性及外力扰动,采用提出的基于模糊自适应趋近律函数切换滑模及模糊自调整增益比例滑模方法,进行了实时控制试验,通过与常规控制策略的比较,验证了所提策略的有效性。


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