多自由度液压伺服系统的控制策略研究

论文摘要

在多自由度液压伺服系统中，多个通道伺服缸系统同时动作时，它们之间存在强烈的耦合作用，这些耦合问题直接关系到多自由度液压伺服系统的控制效果。深入研究适合多自由度液压伺服系统的控制方法，具有非常重要的理论和实际意义。本课题中的研究对象是实验室模仿空中飞行器的“铁鸟”，其中的舵机系统是一个非常典型而且复杂的多自由度液压伺服系统，它掌管着飞机的飞行方向，同时飞行器舵机也承受着来自强非线性气流、负载等干扰的影响，解决好此系统的控制问题，对于提高飞行器安全指数和改善飞行质量具有重要价值。本文主要研究成果包括以下内容：第一，本文概括介绍了单／多自由度液压伺服系统控制策略的发展历史，对多变量系统解耦控制设计理论的研究进展，尤其是对多自由度液压伺服系统解耦控制策略做了较详细的综述。第二，本文研究了液压伺服系统的模糊滑模变结构控制技术。尽管滑模变结构控制对周围摄动和外界扰动具有较强的鲁棒性，但存在抖振。解决抖振问题是液压伺服控制所关心的问题。基于模糊逻辑理论和准滑模变结构控制边界层调节技术，本文提出了一种基于边界层模糊调节的准滑模变结构控制方法。它能根据液压系统滑模开关平面状态的变化，动态模糊调整滑模边界层的宽度，既能充分发挥滑模变结构控制高频切换鲁棒性强的作用，又能降低系统稳态误差，保证响应速度，把滑模变结构控制的抖振控制在液压伺服系统有效工作的允许范围之内。第三，为了平衡减弱滑模变结构控制抖振和保持稳态控制精度的设计冲突，本文提出了一种基于协调优化算法的滑模变结构控制方法。它以稳态误差和控制切换频率作为系统优化性能指标，基于稳态误差的边界层宽度调节规则，采用协调优化遗传算法优化边界层宽度调节率，并把它加入到滑模变结构控制的非线性项中，以实现对液压伺服系统的滑模变结构优化控制。所提出的控制方法，较成功地解决了滑模变结构控制的设计冲突问题，即在滑模变结构控制系统软化控制信号与保持稳态控制精度之间实现了综合协调，可以在不削弱鲁棒性的条件下，最大限度地柔化高频切换控制作用，保证较高的控制精度。值得注意的是，在滑模中结合采用多目标优化技术，边界层宽度调节得到优化，从而更有效地协调滑模变结构控制的设计冲突。而且，所提出的方法更有利于使滑模变结构控制作用适应液压伺服系统的实际控制约束。第四，本文研究了基于dSPACE的液压伺服系统半实物控制仿真技术和协同控仿真技术，并提出了一种基于HOPSAN和MATLAB／SIMULINK的协同控制仿真技术，仿真结果证实了其有效性。它可以将液压、机械电子、控制理论与控制工程等不同研究学科领域进行交叉和融合，构成一个更综合、更切合实际的混合异构层次化控制仿真系统，并根据一定的规则协同分布式运行，产生控制结果，形成多领域协同控制仿真技术，为协同研发液压伺服控制系统搭建一个支撑平台，有利于降低研发成本，优化系统性能，保护环境。第五，本文简要介绍了多自由度液压伺服系统的解耦控制方法。基于多自由度液压伺服系统中各通道之间的耦合关系，提出了解决多自由度液压伺服系统中通道间耦合干扰的基本设想。第六，本文建立了实验室飞行器“铁鸟”多自由度液压伺服系统的机理模型、HOPSAN模型以及MATLAB／SIMULINK模型，为深入开展对多自由度液压伺服系统的控制研究打下了基础。第七，本文研究了实验室飞行器“铁鸟”多自由度液压伺服系统方向舵的综合控制。首先，为了稳定此飞行器多自由度液压伺服系统，在忽略交联耦合的情况下，分别为单输入单输出（SISO）两个液压缸子系统设计滑模变结构主控制器；其次，基于Baumgarte解耦控制设计方法和近似系统模型，根据所期望的解耦响应，为多输入多输出（MIMO）耦合系统设计由前馈和输出状态反馈解耦控制矩阵对（T，K）组成的解耦控制器；然后，把未完全解耦的部分视为对两个单通道液压伺服系统的外干扰d(d21，d12)，构造协调优化算法，提高单通道滑模变结构控制精度，加强抗干扰鲁棒性能，克服未完全解耦的这部分干扰。实验结果表明，所提出的综合控制方法，取得了令人满意的控制效果。文章最后给出了全文的研究总结和未来的研究展望。

论文目录

• 中文摘要
• 英文摘要
• 第一章 绪论
• 1.1 液压伺服系统控制技术的发展简介
• 1.2 液压伺服系统控制策略的发展概况
• 1.2.1 单自由度液压伺服系统控制策略的发展概况
• 1.2.2 多自由度液压伺服系统控制策略的发展概况
• 1.3 课题来源及研究意义
• 1.4 主要研究内容及创新点
• 第二章 基于边界层模糊调节的液压伺服系统准滑模变结构控制
• 2.1 引言
• 2.2 基于边界层模糊调节的液压伺服系统准滑模变结构控制器设计
• 2.3 控制仿真结果及讨论
• 2.4 本章小结
• 第三章 基于协调优化算法的液压伺服系统滑模变结构控制
• 3.1 引言
• 3.2 基于协调优化算法的滑模变结构控制器设计
• 3.3 控制仿真结果及讨论
• 3.4 本章小结
• 第四章 液压伺服系统的半实物控制仿真与协同仿真技术
• 4.1 引言
• 4.2 基于dSPACE的液压伺服系统半实物控制仿真
• 4.3 基于HOPSAN和MATLAB/SIMULINK的液压伺服系统协同仿真技术
• 4.4 协同仿真实例
• 4.5 本章小结
• 第五章 多自由度液压伺服系统通道间解耦控制
• 5.1 引言
• 5.2 多自由度液压伺服系统通道间耦合与解耦
• 5.3 多自由度液压伺服系统线性状态反馈解耦
• 5.4 多自由度液压伺服系统解耦控制仿真
• 5.5 本章小结
• 第六章 飞行器"铁鸟"多自由度液压伺服系统的建模
• 6.1 引言
• 6.2 飞行器"铁鸟"多自由度液压伺服系统的结构及建模
• 6.2.1 飞行器"铁鸟"多自由度液压伺服系统的结构
• 6.2.2 飞行器"铁鸟"多自由度液压伺服系统的机理建模
• 6.2.3 飞行器"铁鸟"多自由度液压伺服系统的MATLAB/SIMULINK建模
• 6.2.4 飞行器"铁鸟"多自由度液压伺服系统的HOPSAN建模
• 6.3 飞行器"铁鸟"多自由度液压伺服系统的主要参数
• 6.4 本章小结
• 第七章 飞行器"铁鸟"多自由度液压伺服系统的控制
• 7.1 引言
• 7.2 飞行器"铁鸟"多自由度液压伺服系统的控制器设计
• 7.3 控制实验结果及讨论
• 7.4 本章小结
• 第八章 总结与展望
• 8.1 总结
• 8.2 展望
• 参考文献
• 附录
• 致谢
• 攻读博士学位期间的主要成果