滑模变结构控制及其在电液位置伺服系统中的应用研究

摘要

本文首先介绍了电液伺服控制系统的组成及发展历程，并且分析了电液伺服控制系统的非线性和不确定性的特点及产生的原因，而后介绍了滑动模态变结构控制的发展与研究现状。作为一种鲁棒性强的控制方法，变结构控制可通过控制器结构的不断调整和变化，有效地控制具有参数变化和外部扰动的被控制对象，这与具有不确定性(包括参数变化，外部扰动与非线性)的电液伺服系统的控制要求是一致的，因此变结构控制在电液伺服控制系统设计当中受到广泛重视。为了应用到电液伺服控制系统中，本文详细阐述了变结构控制理论的基本概念、基本问题，建立了电液伺服系统的各个组件的数学模型，进而建立了电液伺服系统的理论模型。然后从实验室测得电液伺服系统的液压缸和伺服阀及其它环节的的参数，计算后分别确定了各个组件的传递函数，最终确定了系统的传递函数方块图。 本课题的另一项工作是在建立电液伺服系统的模型后，使用滑模变结构控制的比例切换控制法设计滑模控制器，采用S函数描述滑模控制器和电液伺服系统的模型，继而在Matlab/Simulink里建立整个系统的仿真模型。当系统存在不定性时，作者分别采用阶跃信号和正弦信号作为参照信号，将滑模变结构控制和PID控制进行仿真比较。结果表明:滑模变结构控制算法优于PID算法。为了建立更加精确的液压系统的模型，提高整个控制系统的性能，本文还建立了基于ARMSim/Simulink的联合仿真平台，在该平台上进行了滑模变结构控制和PID控制的仿真比较研究。此外，还将联合仿真平台里的模型与在Matlab/Simulink里建立的模型的控制性能作了比较，结果表明:在Simulink仿真平台中，滑模变结构控制系统具有更快的响应时间、更好的动静态性能和更强的鲁棒性；在ARMSim/Simulink的联合仿真平台中，变结构控制系统的响应时间也小于PID控制系统；整体上来看ARMSim/Simulink的联合仿真平台的控制性能好于Simulink仿真平台。

目录

文摘

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声明

第一章绪论

1.1电液伺服控制系统的简介

1.1.1电液伺服控制系统的组成

1.1.2电液伺服控制系统的发展历史和应用现状

1.1.3电液伺服控制系统的特点

1.1.4电液伺服控制系统新的发展方向

1.2滑模变结构控制的研究和应用现状

1.2.1滑模变结构控制简介

1.2.2滑模变结构控制理论的研究现状

1.2.3滑模变结构控制理论的应用现状

1.3论文主要工作及结构安排

第二章滑模变结构控制理论

2.1滑模变结构控制的发展过程

2.2滑模变结构控制的定义及数学描述

2.3滑模变结构控制的基本问题与设计方法

2.3.1滑模变结构控制的存在性条件

2.3.2滑模变结构控制的可达性条件

2.3.3滑模变结构控制的稳定性条件

2.3.4滑模变结构控制系统的动态品质

2.3.5滑模控制系统的不变性

2.3.6等效控制

2.3.7准滑动模态控制

2.4本章小结

第三章电液伺服系统的理论建模

3.1电液伺服系统的数学模型

3.1.1电液伺服阀

3.1.2液压缸流量连续性方程

3.1.3液压缸和负载力平衡方程

3.1.4其它环节的数学模型

3.2典型位置控制系统的传递函数

3.2.1没有弹簧负载的情况

3.2.2有弹簧负载的情况

3.3实际系统的参数

3.3.1油缸基本参数的确定

3.3.2电液伺服比例阀模型的建立

3.3.3传递函数的确定

3.3.4确定系统的方块图

3.4本章小结

第四章基于状态空间模型的电液伺服系统变结构控制仿真研究

4.1滑模变结构控制策略的选取

4.1.1电液位置伺服系统模型的转化

4.1.2切换函数和控制函数的确定

4.2数字PID调节器参数的确定

4.3阶跃响应对比仿真及结果分析

4.3.1原模型的仿真比较

4.3.2系统参数变化时的仿真比较

4.3.3施加外干扰力时的仿真比较

4.4正弦信号跟踪响应对比仿真及结果分析

4.4.1原模型的仿真比较

4.4.2系统参数变化时的仿真比较

4.4.3施加外干扰力时的仿真比较

4.4.4仿真比较小结

4.5仿真比较的结论

4.6本章小结

第五章基于AMESim／Simulink模型的电液伺服系统变结构控制实验研究

5.1仿真平台概述

5.1.1软件简介

5.1.2 AMESim对Simulink的接口技术的优点

5.2联合仿真平台的建立

5.2.1联合仿真设置

5.2.2联合仿真实现

5.3基于滑模控制的电液伺服系统联合仿真

5.3.1阶跃响应仿真及结果分析

5.3.2混合系统的阶跃响应对比仿真及结果分析

5.4本章小结

第六章总结与展望

6.1工作总结

6.2进一步的研究工作

参考文献

致谢

攻读硕士学位期间所发表的论文