[发明专利]基于扩张状态观测器的电液伺服系统模型预测控制方法

说明书

本发明公开了一种基于扩张状态观测器的电液伺服系统模型预测控制方法，首先建立液压系统的动力学数学模型并运用一阶欧拉法将其离散化；然后基于数学模型设计具有状态约束的模型预测控制器；最后基于数学模型设计离散扩张状态观测器。本发明在传统模型预测控制器的基础上融合了扩张状态观测思想，通过巧妙的设计模型预测方程并利用扩张状态观测器的干扰估计作为控制输出补偿，使得系统在同时存在状态约束和匹配干扰等情况下，控制性能不受影响且仍保持较高的稳态控制精度；本发明增强了传统模型预测控制对不可测外干扰的抑制作用，能够同时处理状态约束和抑制不可测外干扰对系统控制性能的影响，且获得了很好的跟踪性能。

技术领域

本发明涉及电液伺服控制技术领域，主要涉及一种基于扩张状态观测器的电液伺服系统模型预测控制方法。

背景技术

电液伺服系统的应用有着近百年的历史，由于其具有重量轻、尺寸小、反应迅速快和负载刚度大等优点，所以被广泛的应用在国防装备、民用工业上，如：在发射平台、人体感应装置、发动机的恒频和恒速的调节等都采用了液压控制。电液伺服系统是一个典型的非线性系统，它具有诸多非线性特性和模型不确定性；非线性特性主要有摩擦非线性、压力流量非线性等，模型不确定性可分为参数不确定性和不确定非线性，其中参数不确定性主要有作动器的粘性摩擦系数、液压油的弹性模量、泄露系数等，不确定非线性主要有未建模摩擦动态，外干扰、系统高阶动态等。这些非线性特性存在于一切液压系统中并影响着电液伺服系统朝着高精度、高频响方向发展。同时执行器饱和的存在也会影响电液伺服系统的控制性能。随着社会的发展，工业界对电液伺服系统的控制性能要求越来要高，传统的经典控制理论已经很难满足需求，因此针对电液伺服系统中的非线性特性研究出更加先进的非线性控制理论迫在眉急。

针对电液伺服系统的非线性控制问题，已经有许多方法被相继提出。其中自适应控制方法对于处理参数不确定性问题是非常有效的方法，能够获得渐近跟踪的稳态性能。但是对于不确定性非线性及状态约束问题时却显得差强人意，而实际的电液伺服系统的物理性能都是有限的且都存在不确定性非线性，因此自适应控制方法在实际应用中并不能获得高精度的控制性能；作为一种鲁棒控制方法，经典滑模控制可以有效地处理模型不确定及外部干扰，并获得渐近跟踪的稳态性能，但是经典滑模控制所设计的不连续的控制器容易导致滑模面的颤振问题，从而影响系统的控制性能。为了同时解决参数不确定性和不确定性非线性的问题，自适应鲁棒控制方法被提出，该控制方法可以在参数不确定和外干扰同时存在的情况下，使系统获得较好的暂态和稳态性能。但是该方法在应对状态约束时仍然束手无策；后来研究者将障碍李亚普洛夫函数和自适应鲁棒控制结合，解决状态约束和模型不确定问题，虽然该方法可以约束住状态变量，但是该方法对系统的初值提出了更高要求。

传统的模型预测(MPC)控制方法可以有效的处理受控系统中存在的约束问题。MPC早期在化工领域及慢时变工业领域应用较为广泛；随着科技的进步，计算机性能的提高，开始逐渐被应用在电机、机器人、无人驾驶等领域；MPC主要基于状态方程推导得出模型预测方程；然后考虑输入约束或状态变量约束求解二次型方程，达到对未来输出的提前预测和输出规划。处理约束问题是模型预测(MPC)控制的一大优点所在；但是传统的模型预测控制并不能很好的解决系统控制中的不可测时变干扰，因而在面对恶劣的外界环境时，控制效果差强人意。

发明内容

本发明的目的在于提供一种鲁棒性强、抗饱和、跟踪性能高的电液伺服系统的模型预测控制方法，并巧妙的结合扩张状态观测器解决电液伺服系统在实际应用中的状态不可测和干扰问题，以实现对电液伺服系统的高精度控制。

为实现上述方案，本发明所采用的技术方案如下：

一种基于扩张状态观测器的电液伺服系统模型预测控制方法，包括以下步骤：

步骤1，建立液压系统的动力学数学模型并运用一阶欧拉法将其离散化；

步骤2，基于数学模型设计具有状态约束的模型预测控制器；