电液伺服比例变量系统非线性自适应控制及其应用研究

摘要

电液控制系统在各种工业和民用领域应用广泛，其性能高低直接影响到产品整体质量。随着机电一体化技术的高速发展和嵌入式技术的普及应用，对电液控制系统性能要求越来越高。电液伺服/比例控制系统是一个本质非线性系统，且参数和模型结构具有时变、不确定性，同时外界负载干扰也具有不确定性，因此传统非线性控制理论在电液控制系统中应用时难以达到高性能要求。目前国内外许多学者、公司都在电液系统非线性控制领域做了大量研究工作，但在理论方法和实际应用中还存在一些缺陷。论文针对电液比例系统的死区问题、变量系统零动力学问题，分别提出了具有新型死区补偿方法的鲁棒自适应动态表面控制方法和零动力学子系统稳定性分析方法。论文对传统电液控制系统的自适应模糊滑模控制作了改进，以提高精度、消除抖振并使其适用于电液比例控制系统。此外论文提出了推土作业效率复合控制策略，设计并建立了推土机半物理试验系统。最后论文将电液系统非线性控制理论应用于注塑机注射阶段控制，并设计了一套节能型高精度电液比例伺服控制系统。
　　 论文各章研究内容分述如下：
　　 第1章介绍了电液控制系统的概念、构成及其分类，在分析了电液系统特点的基础上，阐述了其控制方法研究的难度。详细介绍了目前应用于电液控制系统各种控制方法的研究现状，并提出某些方法存在的缺陷和应用中存在的问题，提出了论文的研究内容和方案。
　　 第2章分析了传统比例阀死区补偿中的弊端，提出需要对非线性增益不确定死区进行补偿的必要性。提出引入新型死区模型用于对比例阀死区进行补偿控制。采用一阶滤波器简化控制器设计.全面考虑系统死区非线性、参数和模型不确定性及不确定外干扰对系统的影响，提出适用于电液比例系统的鲁棒自适应动态表面控制方法，并通过仿真试验验证了其优越性。
　　 第3章分析了传统电液系统自适应模糊滑模控制方法的不足，指出其抖振未根本消除、并且普通模糊控制精度有限的问题，分别针对这两个问题做出了改进。考虑到该方法在电液比例控制系统应用中的问题，提出了解决方法。经实验验证，该方法克服了现有方法的不足，精度更高，抗干扰性更好。
　　 第4章分析了现有控制方法应用于电液比例变量系统时出现的问题，提出分析零动力学子系统稳定性的重要性。分析得出电液比例恒压变量泵是最适合于电液伺服/比例系统的动力源配置方式。建立了压力调节式变量泵的动力学模型，结合其动力学特性，得出了电液比例变量系统控制器与零动力学子糸统昀稳定性分析方法。
　　 第5章，介绍了目前推土机自动控制方法的研究现状。针对现有推土机工作装置非线性控制方法研究不足的情况，提出了基于模糊决策的铲刀切土深度自动控制方法。该方法中应用第2章中提出的死区补偿方法，解决伺服比例阀死区和非线性增益问题。结合滑转率控制和发动机管理系统，研究提出了一种推土作业效率复合控制策略。设计并建立了一个推土机半物理半虚拟试验系统，能够真实模拟推土作业工况，给系统性能测试、控制器性能测试及工作装置结构优化提供了平台。经试验验证，作业效率复合控制策略在各种地形情况下，能够克服多种恶劣地形环境的影响，有效地稳定发动机转速和滑转率，显著提高推土作业效率。
　　 第6章，分析了现有注塑机注射阶段速度，压力控制方法的不足之处，应用第2、3、4章的控制方法，提出了注射速度和压力的非线性自适应控制方法。根据压力反馈优化选择速度控制和压力控制的切换点，达到了高精度控制目的。设计了一套节能型高精度闭环注射系统，该系统采用压力流量复合控制实现流量自适应，降低动力源能耗。将本章设计的系统与采用变量泵的系统做实验对比，验证了第4章中稳定性分析方法的有效性。通过在多种情况下的对比试验表明，该系统及其控制方案相比传统方法响应速度和控制精度有较大提高，同时系统具有良好的节能性。
　　 第7章概括了论文的主要研究工作及创新之处，同时展望了今后需要深入研究的方向。

目录

文摘

英文文摘

致谢

1 绪论

1.1 电液控制系统概述

1.1.1 电液控制系统的概念和构成

1.1.2 电液控制系统的分类

1.1.3 电液控制系统的特点

1.2 电液控制系统研究现状

1.2.1 经典控制理论

1.2.2 PID控制

1.2.3 滑模变结构控制

1.2.4 模糊智能控制

1.2.5 神经网络控制

1.2.6 鲁棒自适应控制

1.2.7 逆向递推技术(Backstepping)

1.2.8 死区补偿方法

1.3 课题的提出及研究内容

1.3.1 课题的提出

1;3.2 研究内容

2 具有非线性死区补偿的鲁棒自适应动态表面控制

2.1 电液比例阀死区问题

2.1.1 电液比例阀特性

2.1.2 比例阀死区特性

2.2 电液比例系统鲁棒自适应动态表面控制

2.2.1 比例阀死区模型

2.2.2 电液比例系统建模

2.2.3 鲁棒自适应动态表面控制器设计

2.2.4 控制器稳定性分析

2.2.5 仿真实验分析

2.3 结论

3 鲁棒自适应变论域模糊滑模控制

3.1 前言

3.2 鲁棒自适应变论域模糊滑模控制

3.2.1 变论域模糊控制原理

3.2.2 控制器设计

3.2.3 稳定性分析

3.3 电液比例系统的鲁棒自适应变论域模糊滑模位置跟踪控制

3.3.1 设计要点分析

3.3.2 死区预补偿方法

3.3.3 控制器设计

3.3.4 稳定性分析

3.3.5 实验对比分析

3.4 结论

4 电液比例变量系统零动力学稳定性分析

4.1 电液比例变量系统建模分析

4.1.1 变量液压泵的工作方式

4.1.2 压力调节式变量泵数学模型

4.1.3 系统稳定性分析

4.2 电液比例变量系统控制器设计中的稳定性分析方法

4.2.1 未考虑变量泵零动力学系统的控制器设计

4.2.2 零动力学稳定性分析

4.3 小结

5 推土机铲刀切深控制及作业效率控制策略

5.1 前言

5.2 基于模糊决策的铲刀切土深度自动控制

5.2.1、 铲刀切土深度模糊决策控制

5.2.2、 铲刀位置滑模鲁棒自适应跟踪控制器

5.3 作业效率复合控制

5.4 推土机半物理试验系统

5.4.1、 试验系统整体方案设计

5.4.2 推土机行驶动力学模型

5.4.2 铲刀阻力模型

5.4.2 发动机模型

5.4.2 分动箱、离合器模型

5.4.2 变速器、减速器模型

5.4.7 推土机工作装置Adams模型

5.4.8 铲刀液压控制系统与模拟加载系统

5.4.9 控制系统方案及半实物仿真技术

5.5 推土机试验系统实验研究与结果分析

5.6 结论

6 高精密注塑机电液伺服比例控制技术

6.1 精密注塑成型设备电液比例注射系统及控制方案设计

6.2 注射阶段速度／压力控制方法研究

6.2.1 非线性自适应注射速度控制

6.2.2 非线性自适应注射压力控制

6.2.3 速度压力切换控制

6.3 动力源压力流量复合恒压控制

6.4 试验研究

6.4.1 实验装置

6.4.2 实验结果分析

6.5 结论

7 结论与展望

7.1 结论

7.2 工作展望

参考文献

作者简历

1) 参与的科研项目

2) 发表及录用的学术论文

3) 获得的奖励及荣誉