基于滑模变控制理论的电液位置伺服控制方法研究

论文摘要

电液伺服控制系统是液压领域的重要分支,也是控制技术的重要组成部分。近年来,越来越受到尤其是军事、航空等重要科技部门的重视,如何满足现代化科技对于液压伺服控制越来越高的技术要求,仿真分析无疑是最行之有效的方法。由于实际生产中,电液伺服系统的工作环境复杂、本身参数易变动、外界存在不确定因素扰动可能性大等内外因素使得电液伺服控制系统成为典型的非线性控制系统。应用传统PID控制器对于这种控制系统往往达不到控制精度和响应速度等方面的要求。为了克服这种不利因素对于电液伺服控制系统的影响,越来越多的学者开始关注对控制器的研究。其中滑模变控制算法具有与控制对象的参数变化及外界扰动无关的特点,这就使得滑模变控制策略具有快速响应、对控制系统参数变化及外部干扰变化不灵敏、无需系统在线辨识、物理实现简单等优点,而越来越受到各国学者的广泛重视,并设计出多种滑模控制器如自适应滑模控制器、神经滑模控制器等来满足不同控制系统的要求。鉴于此,本论文将开展滑模变控制策略的算法研究,将其应用于电液伺服位置控制中,并利用仿真实验结果来分析该控制策略的可行性、有效性。本论文以阀控液压缸位置伺服系统为研究对象,针对液压伺服控制的工作原理,建立起相应的数学模型。在Matlab/Simulink软件平台下,将其数学模型用相对应的模块进行搭建,分别采用传统PID控制策略、指数趋近率控制策略及幂次趋近率控制策略对系统无负载、无扰动理想环境下和系统外加扰动下进行离线的仿真实验研究,从理论上验证滑模变控制算法对于液压伺服位置控制系统可行性。由于Matlab/Simulink平台提供的是数学模型的仿真,其结果往往与实际有偏差,利用AMESim软件中的液压库元件搭建液压伺服位置控制系统的物理模型,进行AMESim/Simulink控制系统联合仿真,在施加外干扰力的情况下对系统的控制结果进行分析,验证滑模变控制策略的强鲁棒性。最后,在半实物仿真平台dSPACE上进行试验验证,进一步验证了本论文研究的滑模控制策略算法在液压伺服位置控制中的正确性与可行性。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 液压伺服系统简介
• 1.1.1 电液伺服控制发展概况
• 1.1.2 电液伺服控制的优、缺点
• 1.2 电液伺服系统的组成及工作原理
• 1.3 伺服控制分类及技术要求
• 1.3.1 伺服控制分类
• 1.3.2 伺服控制技术要求
• 1.4 电液伺服系统控制策略发展概况
• 1.5 滑模变结构在电液伺服控制领域的应用及发展概况
• 1.5.1 变结构控制应用于电液伺服系统的优越性
• 1.5.2 变结构控制的研究进展
• 1.6 本论文主要内容
• 第二章 电液伺服位置控制系统数学模型
• 2.1 电液伺服位置控制系统的数学模型建立
• 2.1.1 电液伺服系统参数
• 2.1.2 伺服阀数学模型
• 2.1.3 液压缸数学模型
• 2.2 放大器参数选取及稳定性分析
• 2.2.1 参数确定
• 2.2.2 稳定性分析
• 2.3 本章小结
• 第三章 滑模变结构控制策略选取
• 3.1 滑模变结构控制理论
• 3.1.1 滑模变结构控制定义
• 3.1.2 滑模的存在性
• 3.1.3 等效控制与滑模运动
• 3.2 滑模变结构控制抖振问题
• 3.2.1 抖振产生原因
• 3.2.2 解决抖振方法
• 3.3 基于趋近率的滑模控制系统设计
• 3.3.1 状态空间转换
• 3.3.2 滑模面选取
• 3.3.3 确定滑模控制函数
• 3.4 本章小结
• 第四章 电液伺服位置跟踪系统的Matlab/Simulink 仿真研究
• 4.1 Simulink 下PID 仿真
• 4.1.1 PID 控制器设计
• 4.1.2 仿真结果
• 4.2 典型趋近率仿真及其结果分析
• 4.2.1 切换函数控制
• 4.2.2 位置跟踪仿真结果
• 4.3 PID 与指数趋近率仿真对比及结果分析
• 4.3.1 系统无负载力时仿真结果及分析
• 4.3.2 系统加外负载力时仿真结果及分析
• 4.4 本章小结
• 第五章 基于AMEsim/Simulink 联合仿真电液伺服系统位置跟踪
• 5.1 电液位置伺服控制系统联合仿真实现
• 5.1.1 软件简介
• 5.1.2 AMESim/Simulink 联合仿真环境设置
• 5.1.3 AMESim/Simulink 联合仿真下物理模型与数学模型的建立
• 5.2 基于AMESim/Simulink 联合仿真电液伺服系统位置跟踪研究
• 5.2.1 无扰动下仿真结果对比及性能分析
• 5.2.2 负载变化时仿真结果对比及鲁棒性分析
• 5.2.3 外加干扰时仿真结果对比分析
• 5.3 小结
• 第六章 基于dSPACE 的电液伺服系统位置控制实验
• 6.1 dSPACE 软件简介
• 6.1.1 dSPACE 特点
• 6.1.2 dSPACE 硬件环境
• 6.1.3 dSPACE 仿真平台软件环境
• 6.2 基于dSPACE 的控制系统开发与设计
• 6.2.1 CDP 建立
• 6.2.2 ControlDesk 界面创建
• 6.3 仿真结果
• 6.3.1 负载为零时系统仿真结果分析
• 6.3.2 系统加入负载力后仿真结果分析
• 6.4 本章小结
• 第七章 总结与展望
• 参考文献
• 致谢
• 攻读硕士学位期间所发表的论文