近代液压伺服系统控制策略的现状与发展

浑三凳七近下液工三伺服系统搜制策略的现冷弋与发展李运华摘要关健词‘

史维样,

林廷析

提出了近代液压伺服系统的基本概念并对其主要特征进行了刻划介绍了近代液压伺服系统控。

。

制策略的现状与发展趋势

液压伺服系统

现代控制理论

智能控制

非线性控制!

近代液压伺服系统概述液压伺服控制系统的经典控制理论美国麻省理工学院开始研究,

型电液伺服系统上述电液伺服系统与在传统的

。

年代初由

工业场合中应用的电液伺服系统相比具有明显的不同

到

年代初构成了其基,

之处

主要表现在

环境和任务复杂

,

普遍存在较,

本类型

。

经典控制理论采用基于工作点附近的增量线设计过程主要在,

大程度的参数变化和外负载干扰

有时甚至还存在多采用了

性化模型来对系统进行分析与综合频域中进行。。

对象间的交叉干扰各种型式的数字阀方法为主,

电液转换元件不同,

控制器的形式主要为迟后超前网络和,

省去了、

转换装置

控制

控制等目前液压伺服系统的经典控制理论已经

策略变为以近代控制方法和微机控制实现为主。

智能控制方法和鲁棒控制

成熟对于一些频宽不太高外干扰不太大的液压伺服系统,

以下

、

参数变化和

控制器由以模拟实现为主变为以数字控制凡是具备上述特征之一的电液。

采用经典方法进行设、

计已经能够满足工程需要,

。

伺服系统称为近代电液伺服系统

近年来随着机械工作精度响应速度和自动化程

王占林和刘长年在国内最早涉及了近代电液伺服

度的提高对液压控制技术提妞了越来越高的要求液,,

系统的有关研究工作

,

系统地研究了基于二次型最佳,。

压控制技术也从传统的机械场合开始向航空航天、、、

、

操纵和助力装置等应用

指标的线性最优控制理论在电液伺服系统中的应用,

海底作业和车辆与工程机械等、

提出了液压伺服系统的优化设计理论随后林建亚和丁崇生针对液压伺服系统的特点,

领域如模拟加载装置发动机然料进给控制与转速控制车辆主动悬挂装置车轮防抱死制动系统和机器人电液伺服系统等扩展。

研究了模型跟随自

适应控制在机器人电液伺服系统和试验机液压伺服系

在这种情况下仅采用液压控,,

统中的应用控制

。

李从心在液压控制领域最早开展了模糊,

制技术已难以满足上述应用场合提出的要求液一体化技术正是在这种背景下产生的。

机

、

电

、

方法的应用研究。

王孙安等结合大功率液

年代末至。

压马达转速控制系统的研究进一步推动了,、

在液压、

年代初逐渐完善和普及的计算机控制技术和集成传感技术为电子技术和液压技术的结合奠定了基础精度和工作可靠性液控制系统进行接,

计

伺服系统中的应用在近代电液伺服系统中非线性参数变化外负载干扰和交叉干扰对系统控制性能的影响至关重要开展对近代甩液伺服系统的非线性控制的研究,。

算机控制在液压控制系统中的应用大大地提高了控制使得以往难于用模拟控制实现的。

对推

复杂控制策略的实现成为可能口,

为了便于使微机和电,

广近代电液伺服系统的应用和建立近代电液伺服系统的设计理论与控制方法的完整体系具有重要的指导意义。

近年来除继续采用传统的电液年代

伺服阀和比例阀作为电液转换与放大元件外的脉宽调制,

初还出现了采用高速开关阀和步进电机拖动的数字阀型电液伺服系统和数字增量控制,

近代控制策略应用现状与发展趋势!

控制。

与经典控制理论相应而发展起来的控制策略以西安交通大学机械系

陕西西安

控制为代表

近代控制理论和智能控制理论仍然

年第

期

吸取了

控制的一些基本思想、

。

控制基于系统、

和阻尼比氛以及流量增益

,,

等

,

它们的准确值与一,

误差的现实因素现等特点应用。

过去因素,

和未来因素

些软量有关经典的

,

难于算准

。

进行线性组合来确定控制量具有结构简单易于实,

的主要不足之处是控制精度较差所以必须对进行适当的改造才能使其在液压控制领域。

至今在液压伺服控制系统中仍有着广泛的

获得广泛应用

古典,

的基本特征是运用一些符号,

传统的

采用线性定常组合方式,。

,

难于协调快

组成一个具有

“

”

的的

速性和稳态特性之间的矛盾

在具有参数变化和外干随着对系统性能

要求。

推理链模型

,

属于产生式系统

目前仍在广泛应用

。

扰的情况下其鲁棒性也不够好的不断提高传统的,

另一流派则是根据人类大脑的生理结构原理建立的脑

控制往往不能满足要求在这,

种情况下吸取自适应控制和智能控制的基本思想并利用计算机技术的优势

理论基—人神法实现的控制称为神经网络控制自适应控制

工

经网络

,

于神经网络模型和算。

对传统的、

控制进行改造形和非线性,

成自适应

、

模糊。

智能积分

如果在设计控制系统时这就是自适应控制问题,。

,

不完全知道系统的参数,

等

,

使其适应新的要求

或结构要求一边估计未知参数校正控制制,,

一边修正控制作用,

,

人工智能控制年代中期美国最早开展了对智能控制的研究,

可分为两大类

一类以自

为代表另一类以模型参考自适应控为代表。

付京孙首先提出了人工智能控制,、

的概念

。

按此

一般适用于具有慢时变的对

观点智能控制是自动控制运筹学和人工智能三个主要学科相互渗透相互结合的产物,、

象调节而具有参数突变如试验机伺服系统存在刚度突变和突加外负载干扰的电液伺服系统往往不能满。

。

通过对系统特,,

征的描述和提取符号和环境的识别知识库和推理机的开发以及控制规律的在线学习和修正、

足要求因此液压伺服系统采用的

,

大多为

使系统对实,

或其变型

。

际环境或过程有一定的组织决策和规划的能力能模

林建亚针对机器人电液伺服系统参数变化特点主要是负载惯量随姿态变化。,

拟人的某些智能和经验来控制对象与人工智能的发展密切相关种不同的派”。

。

智能控制的发展另一种是“

提出了电液位置伺

,

人工智能研究主要有两”,

服系统的自适应控制律

丁崇生等对模型跟随自适应,

“

流派

”,

一种是,

“

功能派”,

结构

控制跟随条件

进行了深人研究分别基于直接状态提新方法,,

前者也称为古典人工智能“,

这种人工智能实际,

取法和最小范数法提出了系统应用、

使得模型可

上是一种基于知识的系统宏观功能上模拟人的智能

它根据人的思维活动和智年的

自动满足这些方法在双缸同步控

制

能行为的心理特征利用计算机软件与心理学方法从。

试验机伺服系统和机器人伺服系统中获得成功的不足之处是对被控对象的数学模型阶次和

设

。

计的表。

系统以及由

和他的研究小组

年在法国研制的专家能力的的基本思想,

语言是这种流派的代”,

相对阶仍有严格的要求此外诸如持续激励慢时变

,

、

、

人们已经利用这些人工智能语言建立了模拟人类“

严格正实和波波夫不等式等条件也制约了。

具有更,

专家系统

成功地应用在医疗诊断化。

、

学分析和过程控制等领域中

姜长生等基于专家系统。

强的鲁棒性恰当吸取其他控制策略的长处研究限制条件少算法衙和鲁棒性强的便律是近年来发展、

提出了一种智能控制器的设计方法并在模糊控制,。

的方向

。

飞行控制系统中得到了成功应用

和

变结构控制

精确控制一样是一种闭环控制系统

其不同之处只是模糊量与精,

前者在控制器中采用模糊量和模糊推理确量之间的转换以及模糊推理的规则经验予以确定家系统。。

控制器的结构

是一种根据系统状态偏离滑模的程度来变更控制律或控制器参数从而使系统按,。

则是用专家的

照滑模规定的规律进行运行的一种控制方法

本。

因而可以认为模糊控制是控制中的专

质上也属于一种自适应控制于参考模型

,

滑模从某种意义上看属,

模拟控制适用于被控参量无精确的表示方法。

同时还孕育了智能控制的基本思想,

和被控对象各种参数之间无精确的相互关系的情况

系统与传统的控制系统相比具有控制规律简单可以协调动态和稳态性能间的矛盾

,

在这种情况下属此类情况

,

比精确控制优越

,

液压伺服系统正

特别是其滑动模。

如影响系统动态品质的液压固有频率叭

态

对系统参数变化和外部干扰具有完全不变性

液压与气动

的缺点是系统存在抖动

起的自振目前,

。

—非线换滞可以通过选择合适的滑态可达条件使抖动,。

性切

后引

神经细胞的工作方式即每个神经元接受信号按乘权,

“

值后相加

”

,

输出信号按

“

闹值,

”

大小确定,

,

这样做的“

影响减小到工程许可的范围内,,

优点是可以快速地处理复杂

的事物律和滑模可达条某一事物之前对系统进行教学习”

但是要求在处理学

液压伺服系统采用的,

以便使系统通过

件大多针对连续系统导出完成这是一种近似方法,

而工程实现大都由计算机系统存在较严重的抖动现。

求出权值“。

”

和

验习

有教师学习

闭值教学内容来自专家的经系统期望的动态行为无教师学或”

“

。

象并且难以用于采样周期较长的控制系统

近年来,

,

学习规则主要有

学习规则,

,

规则梯,。

基于离散控制系统的构控制。

已有进展

此外还

度下降法和基于网络参数

理论的自适应学习规则等,

出现了采用模糊控制和神经网络控制实现的离散变结

的工作方式目前主要有两大类

一类是离线学习

称为训练

控制时由网络回忆期望的控制,

香捧控制在实际问题中系统的模型可能包含不确定因素希望这时控制系统仍有良好性能,。

信号另一类是在线更新网络参数此时为提高初始鲁,,

棒性常将

,

与常规反馈控制器复合。

学习的最终,

,

这就是鲁棒控制问

目标是使反馈控制器不起作用

前者适合于重复控制后者

题近年来出现了。设计方法要求频率响应函数的二模的上确界极小这种方法成功地应用了经典函数论和算子理论在在计算上的优点,。

如焊接机器人的轨迹控制和化工工艺控制等制。

适用于工作过程中给定和参数经常变化的对象的控目前关于,

模约束下已成功解决了多变量定。

常系统的镇定补偿问题器的设计全部工作可由

方法既保留状态空间方法,

的研究大多停留在仿真阶段

。

又有频率法的直观性加上!。

一

控制

学习算法的收敛性和。

系统的稳定性还未从理论和反馈控

语言实现

,

所以对。

上全部解决一个值得注意的方向是将

工程技术人员很有吸引力时,

但当系统发生不是小扰动,

制复合采用

,

稳定性或叩

超稳定性理论。

下的优化是否能保持次优性还不清楚和

来推导将陈宗基将制制,,

的参数

权值

更新律

学习律,

针对电液位置伺服系统

分别采提出的

用了机械手的力位置综合控制

倪先锋和

用基于混合灵敏度问题的由一

!

和

用于了倒立摆的控

方法和基于结构奇异值

将小脑

模型连接控制器用于聚合反应器的控作者将自适应线性连接模型神经元与相结。

优化的

伪,

’

拜

一

方法实现了。

,

控制

,

仿真

和实验表明

系统具有良好的静动态特性且对未建模

合实现了泵控马达速度伺服系统的离散变结构控制求近代电液伺服系统的特点主要表现在

动态呈现较强的鲁棒性,

近代电液伺服系统的特点和对控制策略提出的要,

基于复合控制原理提出了一种鲁棒伺服控制方法控制器由主控制器和辅助控制器组成主控制器根据被控对象额定工况参数按照最优控制原理

环境和。

任务复杂

,

普遍存在参数变化

、

外干扰和交互作用,,

设计辅助控制器的输出取决于系统的不定性这种控制本质上也属于自适应控制在鲁棒控制领域中,,。

,

。

对频宽和跟踪精度均有较高的要求例如航空航天领域需要频宽为的电液伺服系统这个频宽已,

等将这种控制方。

案成功地用于泵控马达速度伺服系统的控制

接近或超过液压动力机构的固有频率的观点难于设计这类伺服系统。

按由于电液伺服

还有一类有影响的工作就是

判断系数在一定范围内变化的多项式的稳定性和严格

阀节流特性和流量饱和作用引起的非线性影响已显得至关重要

正实性,

已给出各种不同情况下的充分必要条,。

件例如棱边定理但结果还很有限这类研究工作属于系统簇动力学的范畴,

各种直接式数字电液元件的非线性采样特性使得基于传统的离散系统理论的稳定性判据和控制器设计方法难于奏效提出了如下要求。

。

至今仍是一个难题

。

神经网络控制神经网络控制,

近代电液伺服系统由于自身的特点

,

对控制策略,

是模仿人类的感觉器官和脑。

在满足稳态精度的前提下尽量,

细胞的工作原理而工作的它可以同时接受大量信息并且对它们进行处理结果也是平行输出的一批信息在系统中硬件是模仿神经细胞的网络,

,

提高系统的动态特性地控制被控对象。

要求控制器能做到快速无超调

。

对于系统参数变化外负载干扰,

、

软件则是模仿

和交叉藕合以及非线性因素引起的不定性

控制系统

年第

期

亩旱现较弥的鲁棒性

。

了

护制策略成具有较

强的智一

十夕

,

使得原仿射非线性系娇在选定的坐下转换为一个完全可控的。

能

了

。

护制算珍简单

、

实时性强

〔

控制器给出的。

标变换线性系统,

巾

最大控制得灾他使劝力机构的极限拖动能力得以充分发挥,

这样便可采用非常成熟的线性系统理论对

从而使申布伺服系统具有校高的效率

系统进行分析与综合了

液压伺服系统的非线性与精确线性化最优控制】

液压伺服系统采用精确线性化控制的可行性实际系统中有一类简单且又常见的非线性系统这就是仿射非线性系统非线性,,,

液压伺服系统的非线性与现有的处理方法非线性是液压伺服系统普遍存在且至今没有能够。

这类非线性系统对状态。

呈,

很好解决的难题

液压伺服系统的非线性主要由电液伺服阀、

但对控制,

呈线性

对仿射非线性系统

已

转换与控制元件

比例阀或数字阀,

的节流特,

给出了用状态非线性反馈及局部微分同胚把它精确线性化的充分必要条件。

性和液压动力机构的滞环死区及限幅等因素引起对于由后者引起的非线性通常称为本质非线性。

这时便可采用等价的线性系统,

,

采用

描述函数法已能获得较好的结果

而对前者目前还没

来代替非线性系统等价线性系统的控制量可以采用 T或 I A E最优控制理论确定对所求得的控制量进行坐标转换便可得到原系统的控制量,,。

有比较满意的统一处理方法量线性化

现有的处理方法是将描

工程实践表

述系统特性的动态方程中的非线性项在工作点附近增即取台劳级数展开式的一次项,

从而把非,

明几乎所有的液压伺服系统 (包括复杂的机械手伺服系统和力系统 )都是仿射非线性系统因此对液压伺服

线性系统近似转化为工作点附近的增量线性系统

这。

系统施实精确线性化控制是可行的

。

计算机控制技术。

样当然就可采用线性理论对系统进行分析与综合了

众所周知的液压伺服阀的三个系数力增益

流量增益。

。,

压

和流量压力系数

。

就来源于此这种处理。

方法对于系统给定量较小且外负载不大的经常工作在额定工作点附近的电液伺服系统是可行的

然叮近代

r ( )因此可 t )取 Y (t一 P r ( ) t h (X〔 ) )对多输 l作为非线性系统的输出函数人多输出电液伺服系统 (如机械手液压伺服系统多缸下保持跟踪给定的参考输人,。

的普及为精确线性化控制的工程实现奠定了基础由 (t在干扰作用 )于大多数液压伺服系统希望其输出 Y P

,

液压同服系统往往要求系统具有点点跟踪任意非直线函数的能力并且能够承受较强的外负载干扰,

同步系统和飞行模拟器伺服系统等 )在实现精确线性,

因此工

化控制的同时还能够实现解藕_

。

作过程中系统的工作点在较大范围内变化

从而增量

注

:

本丈的参考文献共计 9 6篇

,

限于篇幅在此从

线性化理论难于奏效解决这个问题的途径有两个一种方法是基于对象线性模型采用具有较好自适应性和

略

。

口

场山汤止确比马心决止盛走 J么 J止决止马‘ J沁场佑场比场止马心场止马比场心 J比决比马走月此

智能性的鲁棒控制策略例如

,

,

和

C

B

K

O

型高压小排最齿轮泵通过省级技术鉴定、、

、

等来处理工作点变化和系统非线性引起的不定性另一种方法是对非线性对象在大范围内精确线性化馈一

,

采

一种能实现高速高压小排景的新型齿轮泵一一,

cBK O

用非线性系统的几何控制理论来设计非线性状态反。

型囚轮票于 1 9 9 4年 1 2月 2。日在四川省沪州市通过省级技

术鉴定

。

非线性系统的几何控制理论

从土述讨论可知对于近代液压伺服系统在分析,,

它的大干扰稳定性与动态品质时,

不宜把它近似地作

该泉系移植国际同类产品先进技术由长江液压件厂独 r立设计研制而成它设计先进结构合理艺性好技术参数 9。年什初期同类产品先进水平居国内领先地位 .达到国际、、 _、 I「

,

,

为线性系统处理否则控制效果不会令人满意近代液压伺服系统的发展迫切要求建立液压伺服系统非线性

控制理论的新体系近。

。

年来

,

近代微分几何方法与非线性控制系统,

的设计问题相结合

形成了非线性系统的几何控制理,

并可根据实际需要任意组成双联三联或四联泵:。 a其 F要技术参数为额定压力 2 M P最高压力 23 M P 0 . . nl, n最高转速 3000一 4 0 0 o

r/ m排蚤范围 0 8一弓 3 L厂r (共 ! O )个规格 . C B K O型齿轮泵可为各类主机尤其是航空中小型工程、、、、

、

、

论体系在这个体系中有一个分支发展最为迅速且已

机械提供性能参数高体积小重量轻可靠性好能替代进口的新型配套产品具有广阔的市场前景,

、

、

、

、

在实际工程系统

如机械手

直升匕和电力系统等机、

中得到应用理论

,

那就是非线性系统状态反馈精确线性化一

申国华

钟涛

供稿 )

其基本要点是通过寻求

个非线性反馈

一

‘

液压与气动

亩旱现较弥的鲁棒性

。

了

3 )

护制策略成具有较强的智一

( X

)

十夕

(X ) U

,

使得原仿射非线性系娇在选定的坐t ( )

能

了

。

护制算珍简单

、

实时性强

〔 ) 5

控制器给出的。

t标变换 z ( )~线性系统. 4 3

巾 (X

下转换为一个完全可控的

最大控制得灾他使劝力机构的极限拖动能力得以充分发挥4,

,

这样便可采用非常成熟的线性系统理论对。

从而使申布伺服系统具有校高的效率

系统进行分析与综合了

液压伺服系统的非线性与精确线性化最优控制.】 1

液压伺服系统采用精确线性化控制的可行性实际系统中有一类简单且又常见的非线性系统,

液压伺服系统的非线性与现有的处理方法非线性是液压伺服系统普遍存在且至今没有能够。

这就是仿射非线性系统非线性,

,

这类非线性系统对状态 X呈。

很好解决的难题

液压伺服系统的非线性主要由电液、

但对控制 U呈线性,

对仿射非线性系统

,

已

转换与控制元件 (伺服阀

比例阀或数字阀 )的节流特,

给出了用状态非线性反馈及局部微分同胚把它精确线性化的充分必要条件。

性和液压动力机构的滞环死区及限幅等因素引起对于由后者引起的非线性 (通常称为本质非线性 )采用,,

这时便可采用等价的线性系统,

;描述函数法已能获得较好的结果而对前者目前还没

来代替非线性系统等价线性系统的控制量可以采用 L Q G或 I A E最优控制理论确定对所求得的控制量 T进行坐标转换便可得到原系统的控制量,,。

有比较满意的统一处理方法

。

现有的处理方法是将描

工程实践表

述系统特性的动态方程中的非

线性项在工作点附近增

量线性化 (即取台劳级数展开式的一次项 )从而把非,

明几乎所有的液压伺服系统 (包括复杂的机械手伺服系统和力系统 )都是仿射非线性系统因此对液压伺服

线性系统近似转化为工作点附近的增量线性系统

,

这。

系统施实精确线性化控制是可行的

。

计算机控制技术。

样当然就可采用线性理论对系统进行分析与综合了压众所周知的液压伺服阀的三个系数 (流量增益 K;力增益 K和流量压力系数 K就来源于此这种处理。,。。 )

方法对于系统给定量较小且外负载不大的经常工作在额定工作点附近的电液伺服系统是可行的。

然叮近代

r ( )因此可 t )取 Y (t一 P r ( ) t h (X〔 ) )对多输 l作为非线性系统的输出函数人多输出电液伺服系统 (如机械手液压伺服系统多缸下保持跟踪给定的参考输人,。

的普及为精确线性化控制的工程实现奠定了基础由 (t在干扰作用 )于大多数液压伺服系统希望其输出 Y P

,

液压同服系统往往要求系统具有点点跟踪任意非直线函数的能力并且能够承受较强的外负载干扰,

同步系统和飞行模拟器伺服系统等 )在实现精确线性,

作过程中系统的工作点在较大范围内变化从而增量 .:线性化理论难于奏效解决这个问题的途径有两个一种方法是基于对象线性模型采用具有较好自适应性和智能性的鲁棒控制策略 (例如 v S C和A I C,,

.

因此工

化控制的同时还能够实现解藕_

。

注

:

本丈的参考文献共计 9 6篇

,

限于篇幅在此从

略

。

口

场山汤止确比马心决止盛走 J么 J止决止马‘ J沁场佑场比场止马心场止马比场心 J比决比马走月此

N

N

C

A

c

C

B

K

O

:等 )来处理工作点变化和系统非线性引起的不定性另

型高压小排最齿轮泵通过省级技术鉴定、、

、

一种方法是对非线性对象在大范围内精确线性化馈一 . 1

,

采

一种能实现高速高压小排景的新型齿轮泵一一,

cBK O

用非线性系统的几何控制理论来设计非线性状态反。

型囚轮票于 1 9 9 4年 1 2月 2。日在四川省沪州市通过省级技

术鉴定2

。

非线性系统的几何控制理论

从土述讨论可知对于近代液压伺服系统在分析,,

它的大干扰

稳定性与动态品质时,

不宜把它近似地作

该泉系移植国际同类产品先进技术由长江液压件厂独 r立设计研制而成它设计先进结构合理艺性好技术参数 9。年什初期同类产品先进水平居国内领先地位 .达到国际、、 _、 I「

,

,

为线性系统处理否则控制效果不会令人满意近代液压伺服系统的发展迫切要求建立液压伺服系统非线性

控制理论的新体系近 1年来 0。,

。

近代微分几何方法与非线性控制系统,

的设计问题相结合

形成了非线性系统的几何控制理,

并可根据实际需要任意组成双联三联或四联泵:。 a其 F要技术参数为额定压力 2 M P最高压力 23 M P 0 . . nl, n最高转速 3000一 4 0 0 o r/ m排蚤范围 0 8一弓 3 L厂r (共 ! O )个规格 . C B K O型齿轮泵可为各类主机尤其是航空中小型工程、、、、

、

、

论体系在这个体系中有一个分支发展最为迅速且已

机械提供性能参数高体积小重量轻可靠性好能替代进口的新型配套产品具有广阔的市场前景,

、

、

、

、

在实际工程系统 (如机械手

.

直升匕和电力系统等 )机个非线性反馈 v一:‘

中得到应用理论6

,

那就是非线性系统状态反馈精确线性化一

、

申国华

钟涛

供稿 )

其基本要点是通过寻求

液压与气动

本文来源：https://www.bwwdw.com/article/o251.html