[发明专利]一种双阀并联的电液伺服系统及其控制方法

权利要求书

1.一种基于双阀并联的电液伺服系统的控制方法，其特征在于，所述双阀并联的电液伺服系统，包括柱塞泵、三相电机、三位四通伺服电磁阀和三位四通比例电磁阀，所述三相电机与柱塞泵连接，柱塞泵的进油口与油箱连接；柱塞泵的出油口连接单向阀和回油滤油器；回油滤油器和溢流阀均设置在主回油管路上；所述三位四通伺服电磁阀和三位四通比例电磁阀连接，三位四通伺服电磁阀的一端与回油滤油器，三位四通伺服电磁阀的另一端与液压缸连接，所述三位四通伺服电磁阀和三位四通比例电磁阀的信号端与控制电路模块连接；

所述三位四通伺服电磁阀和三位四通比例电磁阀均设置有A出油口、B出油口、P进油口和T回油口，所述三位四通伺服电磁阀的P进油口管路与三位四通比例电磁阀的P进油口管路连通，并和回油滤油器的出油口相连接；三位四通伺服电磁阀的A出油口管路与三位四通比例电磁阀的A出油口管路连通，通过高压软管和液压缸的无杆腔连接；三位四通伺服电磁阀的B出油口管路与三位四通比例电磁阀的B出油口管路连通，通过高压软管和液压缸的有杆腔连接；三位四通伺服电磁阀的T回油口管路与三位四通比例电磁阀的T回油口管路连通，并与主回油管路相连接；

控制电路模块包括位移传感器、伺服阀电子放大器、比例阀电子放大器和运动控制卡，所述三位四通伺服电磁阀和三位四通比例电磁阀的信号端分别连接有伺服阀电子放大器和比例阀电子放大器；所述液压缸的活塞杆与位移传感器连接；所述位移传感器、伺服阀电子放大器和位移阀传感器的另一端均与控制卡连接；

基于双阀并联的电液伺服系统得到的控制方法包括如下步骤：

(1)通过参数定义模块对双阀并联的电液伺服系统内的参数进行定义；

具体步骤如下：

(1.1)构建内环PID控制系统

分别设定控制阀的PID_j,j＝1,…,m的参数的K_P、K_i、K_d；设置控制阀的跟踪的信号幅值选择w_j,j＝1,…,m；

(1.2)单位阶跃采样

确定输入数量为m，输出数量为p；设定采样周期t，建模时域N，对步骤(1.1)中控制的单阀PID_j系统分别做阶跃响应采样分析，获取输出u_j对应的输出采样值a_ij；

其中：a_ij＝[a_ij(1)…a_ij(N)]^T,i＝1,…,p；j＝1,…,m；

(1.3)构建矩阵A与

取优化时域P，控制时域M，并分别构建出动态矩阵A与阶跃响应系数矩阵

其中：a_ij为步骤(1.2)中采样获得的模型向量；

(1.4)确定优化矩阵R、Q和运算矩阵H、C、S₀

设定复合控制算法中控制权矩阵R＝block-diag(R₁,…,R_m)

其中：R_j＝diag[r_j(1),...,r_j(M)],j＝1,…,m对应不同的控制输入，R_j中的元素则对应对u_j在不同时刻增量的抑制；

设定误差权矩阵参数调整为Q＝block-diag(Q₁,…,Q_p)

其中：Q_i＝diag[q_i(1),...,q_i(p)],i＝1,…,p对应不同的输出，Q_i中的元素则对应于y_i在不同时刻的跟踪误差；

设定误差校正矩阵

其中：令所有h_ij(i≠j)为零；为误差校正向量，

设定QP求解系数矩阵

其中：B＝block-diag(B₀,…,B₀)(m块)，A的取值见步骤(1.3)；

设定移位矩阵S₀＝block-diag(S,…,S)(p块)

其中：为由矩阵分块构成的对角矩阵；

(2)通过输入输出模块对双阀并联的电液伺服系统输入输出条件进行约束；

具体步骤如下：

(2.1)设定执行器输出对应的期望值

其中：中各分量表示控制输入u_j各自在未来M个时刻的变化，使输出y_i在未来P个时刻紧密跟踪相应的期望值；

(2.2)设定系统的输出约束为y_i,min、y_i,max,i＝1,…,p，输入的约束为u_j,min、u_j,max,j＝1,…,m；

(3)通过初始化模块对步骤(2)中的输入输出模块中输出的数值进行初始化；

具体步骤如下：

k时刻，位移传感器检测控制对象的实际输出y_i(k),i＝1,…,p；

k时刻初始化，将y_i(k)设定为预测模型的初始值

其中：中各分量表示在k时刻全部控制量u₁,…,u_m保持不变时对y_i在未来P个时刻的初始输出预测值；

(4)通过实时控制模块对上述步骤(1)-步骤(3)所定义的参数及约束条件，确定控制方法的优化策略，滚动地求解最优控制输入，并实施当前控制；同时通过检测实时信息，修正并计算下一时刻的优化输入，并在下一时刻将其作用于电液伺服系统的控制；实现模块的实时控制功能。

2.根据权利要求1所述的基于一种双阀并联的电液伺服系统的控制方法，其特征在于：所述步骤(4)中通过实施控制模块进行实时控制的具体步骤如下：

(4.1)优化变量求解

根据控制量与输出量的约束条件，用二次规划进行求解得到最优解Δu_M(k)；记x＝Δu_M(k)，H₁＝2(A^TQA+R)，其标准形式为：

s.t.Cx≤l

其中：

为最优全部控制增量，其各分量表示在k时刻起u_j依次有M个增量变化Δu_j(k),…,Δu_j(k+M-1),j＝1,…,m；

为约束矩阵，其

分别为m个输入增量Δu_m,M(k)在控制时域M范围内的最小值和最大值；其u_j(k-1),j＝1,…,m表示输入u_j在K-1时刻的输入值；

(4.2)在线计算控制量

在线通过u_j(k)＝u_j(k-1)+Δu_j(k),j＝1,…,m计算得到k时刻要实施的即时控制量u_j(K)；

其中：u_j(k)为k时刻的即时控制量；u_j(k-1)表示输入u_j在K-1时刻的输入值；Δu_j(k)为上述步骤(4.1)计算得到的k时刻的即时控制增量；

(4.3)PID控制

将步骤(4.2)中的即时控制量u_j(k)通过内环PID_j,j＝1,…,m控制得到并将控制后的输入作用于控制阀上；

其中：PID_j,j＝1,…,m参数为步骤(1.1)中所设置；

(4.4)求出预测模型

在k时刻实时控制后，即可根据算出对象在未来时刻的各输出值；

其中：

其中为y_i在未来P个时刻的预测值；

其中为y_i在未来P个时刻的初始预测值；

u_j(k),j＝1，…，m为k时刻的即时控制增量，为步骤(4.1)中计算所得；

(4.5)系统实时检测

在k+1时刻进行优化计算之前，通过位移传感器，检测液压缸的输出位移y_i(k+1),i＝1,…,p，并将值赋给步骤(4.6)进行误差计算；

(4.6)计算输出误差

在k+1时刻进行优化计算之前，将检测值与预测值进行比较，得到这一时刻的误差向量：

其中：e_i(k+1),i＝1,…,p为k+1时刻个输出的误差值；y_i(k+1),i＝1,…,p为步骤(4.5)在k+1时刻检测到的液压缸的输出位移；为步骤(4.4)在k时刻计算得到的k+1时刻的预测值；

(4.7)预测值校正

通过误差向量值，对系统输出的预测值进行在线修正，得到修正后对于系统输出的预测值：

其中：为矫正后的系统输出预测；为步骤(4.4)中求出的系统输出预测值；H为参数定义模块中步骤(1.3)定义的误差校正矩阵；

(4.8)预测值前移，并设置该时刻初值

在预测值校正后，系统则已经处于k+1时刻，所以需要对校正后的预测值向前推移，使其达到k+1时刻；进行推移计算

其中：为k+1时刻修正后的预测输出；S₀见步骤(1.4)中所定义；为步骤(4.7)中矫正后的系统输出预测；

(4.9)循环：循环实时控制模块；

令并将赋值给步骤(4.1),实现对实时控制模块的在线循环；

其中：为k时刻的初始预测值；为步骤(4.8)中计算出的K+1时刻经移位矩阵后的初始预测值。