高速电液比例控制系统H_∞控制器的研究

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油压减振器是列车减振的关键部件之一。特别是在我国铁路实行全面提速以后，列车的安全性和舒适性要求成为了提速的一大难题。针对高速列车的需求，我国正在研发各种高速铁路油压减振器，但是由于现有测试设备和试验方法的限制，不能进行高速铁路油压减振器的综合性能测试，从而限制了减振器的进一步开发和性能指标的提高。目前，我国普遍使用的J95型减振器性能测试试验台采用了机械式驱动装置，但是由于运动机构的限制，机械式试验台只能进行低频简谐振动测试，无法满足高速铁路油压减振器的高频响应性能测试要求。经过30多年的发展，电液比例阀、液压缸等液压元件的生产制造技术得到了全面的发展，因此为基于高速电液比例控制技术的减振器试验台研制提供了可行性平台。但是，基于经典控制算法的高速电液比例系统无法满足系统的平稳性和跟随性要求。究其原因是：经典控制算法完全依赖于描述被控对象动态性能的精确数学模型，但是液压脉动，系统阻尼，摩擦以及油温等随着高速运行不断变化，无法确定精确的数学模型。另外，实际的比例阀一般均有较大的零位死区，所以稳态工作点不在零位平衡点，导致高速运行下的严重抖动。相比之下，H∞鲁棒控制理论不需要精确的数学模型，而且通过H∞性能指标，可以保证控制系统的稳定性，因此高速电液比例控制系统H∞控制器的研究具有重要的学术与应用价值。本文建立了高速电液比例阀与高速电液比例系统的动态数学模型及状态空间表达式，分析了跟踪补偿和不确定性补偿对系统的影响，并提出了求解混合灵敏度H∞控制器、H∞／H2混合参数化控制器、具有LMI区域极点约束的H∞控制器，以及时滞不确定高速电液比例系统的H∞控制器的算法，而且分析了不同性能指标、不同加权函数情况下鲁棒控制器对高速电液比例控制系统的影响。仿真结果表明：通过H∞控制算法，可以设计出带宽为300Hz以上的位置反馈型高速电液比例阀和带宽为100 Hz以上的高速电液比例控制系统，而且在不同性能指标下都能保证系统的稳定性，因此为高速列车油压减振器性能测试系统的研制提供了理论依据。首次在高速列车油压减振器性能测试系统中采用了H∞鲁棒控制理论，并提出了适用于高速电液比例阀与高速铁路油压减振器性能测试试验台的各种

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第1章绪论

1.1 高速电液比例控制系统的研究意义

1.1.1 电液比例控制系统的概况

1.1.2 高速电液比例控制系统的提出

∞鲁棒控制理论的研究与应用概况'>1.2 H_∞鲁棒控制理论的研究与应用概况

∞鲁棒控制理论的研究综述'>1.2.1 H_∞鲁棒控制理论的研究综述

∞鲁棒控制理论的特点'>1.2.2 H_∞鲁棒控制理论的特点

∞鲁棒控制理论在电液控制系统中的应用现状'>1.2.3 H_∞鲁棒控制理论在电液控制系统中的应用现状

1.3 本论文的主要研究内容及成果

1.4 本章小结

∞鲁棒控制理论基础'>第2章 H_∞鲁棒控制理论基础

2.1 不确定系统的描述

2.1.1 基于系统结构的不确定系统描述

2.1.2 基于控制方法的不确定系统描述

2.1.3 基于系统特征的不确定系统描述

2.1.4 基于匹配问题的不确定系统描述

∞鲁棒控制理论基础'>2.2 H_∞鲁棒控制理论基础

2.2.1 Lyapunov稳定性理论

2.2.2 泛函基础与范数计算

2.2.3 函数空间及范数

2.2.4 线性二次型最优控制理论

2控制理论'>2.2.5 标准H₂控制理论

2.3 本章小结

第3章不确定线性系统鲁棒控制理论的研究

∞控制理论的研究'>3.1 标准H_∞控制理论的研究

∞鲁棒性能指标的提出'>3.1.1 H_∞鲁棒性能指标的提出

∞控制问题'>3.1.2 标准H_∞控制问题

∞控制器设计'>3.1.3 混合灵敏度优化问题的输出反馈标准H_∞控制器设计

2／H_∞混合参数化鲁棒控制理论的研究'>3.2 H₂／H_∞混合参数化鲁棒控制理论的研究

2／H_∞混合控制系统的描述'>3.2.1 H₂／H_∞混合控制系统的描述

2／H_∞混合参数化鲁棒控制器的设计'>3.2.2 H₂／H_∞混合参数化鲁棒控制器的设计

∞鲁棒控制理论的研究'>3.3 基于LMI的H_∞鲁棒控制理论的研究

3.3.1 线性矩阵不等式（LMI）的预备知识

∞控制器设计'>3.3.2 具有LMI区域极点约束的输出反馈H_∞控制器设计

∞鲁棒控制理论的研究'>3.4 时滞不确定线性系统的H_∞鲁棒控制理论的研究

3.4.1 时滞不确定系统的稳定性

3.4.2 时滞不确定线性系统的描述

∞鲁棒控制器设计'>3.4.3 基于LMI的H_∞鲁棒控制器设计

3.5 本章小结

第4章高速电液比例系统的数学模型

4.1 高速电液比例系统的组成及原理

4.1.1 高速电液比例系统的组成

4.1.2 高速电液比例系统的工作原理

4.2 电-机械转换元件的数学模型

4.2.1 比例电磁铁的数学模型

4.2.2 比例控制放大器的数学模型

4.2.3 位置反馈型比例电磁铁数学模型

4.3 液压元件的数学模型

4.3.1 比例流量控制阀的数学模型

4.3.2 对称液压缸的数学模型

4.3.3 蓄能器的数学模型

4.4 本章小结

第5章高速电液比例控制系统的仿真研究

5.1 高速电液比例系统的开环动态特性

5.1.1 反馈型比例电磁铁的动态特性

5.1.2 高速电液比例阀控缸系统的开环动态特性

5.2 加权函数的研究意义与选择

5.2.1 加权函数的研究意义

5.2.2 加权函数的选择

∞控制器的研究'>5.3 位置反馈型电液比例阀H_∞控制器的研究

5.3.1 被控对象的确定

∞控制器的研究'>5.3.2 电液比例阀H_∞控制器的研究

∞控制器的研究'>5.4 高速电液比例系统H_∞控制器的研究

∞鲁棒控制系统的仿真'>5.4.1 混合灵敏度标准H_∞鲁棒控制系统的仿真

2／H_∞混合参数化鲁棒控制系统的仿真'>5.4.2 H₂／H_∞混合参数化鲁棒控制系统的仿真

∞鲁棒控制系统的仿真'>5.4.3 具有LMI区域极点约束的H_∞鲁棒控制系统的仿真

∞鲁棒控制系统的仿真'>5.4.4 时滞不确定H_∞鲁棒控制系统的仿真

5.5 被控对象的变化对高速电液比例控制系统的影响研究

5.5.1 液压油的弹性模量、密度、流量系数的变化对系统的影响

5.5.2 液压缸粘性摩擦因数的变化对系统的影响

∞控制器的研究'>5.6 高速铁路油压减振器试验台H_∞控制器的研究

5.7 本章小结

第6章高速铁路油压减振器试验台的实验研究

6.1 高速铁路油压减振器试验台控制系统的研制

6.1.1 高速铁路油压减振器试验台控制系统的组成及性能指标

6.1.2 液压系统的组成及工作原理

6.1.3 液压元件的选择

6.1.4 控制系统的设计

6.2 高速铁路油压减振器试验台控制系统的动态特性测试

∞控制的位置反馈型比例电磁铁动态特性测试'>6.2.1 基于H_∞控制的位置反馈型比例电磁铁动态特性测试

6.2.2 高速铁路油压减振器试验台开环动态特性测试

6.3 空载情况下的实验研究

6.3.1 基于传统PID控制理论的实验研究

∞控制鲁论的实验研究'>6.3.2 基于H_∞控制鲁论的实验研究

6.4 带负载情况下的实验研究

6.4.1 基于传统PID控制理论的实验研究

∞控制理论的实验研究'>6.4.2 基于H_∞控制理论的实验研究

6.5 本章小结

结论

致谢

参考文献

攻读博士学位期间发表的论文及参加的科研项目

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