[发明专利]一种基于扩张干扰观测器的电液伺服系统自适应控制方法

说明书

本发明提出了一种基于扩张干扰观测器的电液伺服系统自适应控制方法，首先建立电液伺服系统的数学模型：据牛顿第二定律建立力平衡方程，根据液压系统动力学建立压强动态方程以及状态空间方程；然后设计影射函数和自适应律：设计一个自适应律使得能对系统参数进行学习，设计影射函数保证参数自适应有界；其次扩张扰动观测器设计：基于扩张扰动观测理论，对匹配不确定性和不匹配不确定性分别设计观测器，加以学习；最后开展控制器设计：对于不确定性的学习，进行前馈补偿，并设计鲁棒控制器，实现跟踪效果。本方法兼顾了电液伺服系统中常见的参数不确定性和未建模干扰问题，基于传统的自适应控制方法，融合了扩张干扰观测器，实现了高性能位置控制。

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干扰观测器的自适应控制方法。

背景技术

在现代工业生产中，电液伺服系统凭借其功率密度大、力或力矩输出大等特点，获得了非常广泛的应用。许多先进的机械设备，如工程机械、机械臂、汽车悬架都采取电液伺服系统作为执行机构。随着现代工业的发展，基于经典线性控制理论的方法已无法满足日益提高的性能要求，因此高性能的非线性控制策略的研究已迫在眉睫。然而，电液伺服系统的强非线性以及建模不确定性给高性能控制器的设计带来了诸多挑战。

为了解决这些问题，过去30年间，许多先进的非线性控制方法相继被提出。例如，处理参数不确定性的最佳选择——自适应控制——能很好地提升跟踪性能。基于此，一种新型的连续可微摩擦模型得以提出，实现了非线性摩擦的补偿，参数自适应律也融合于反步设计中用以处理该摩擦模型中的参数不确定性。但是，自适应控制的跟踪性能取决于建模的准确度，而大量深入的模型研究对建模不确定性的削减也微不足道。一旦未建模干扰过大，将影响参数自适应律的收敛性能，进而使得已提出的自适应控制器的跟踪性能大幅降阶。为了提高自适应控制器的鲁棒性，此时针对单出杆液压作动器又提出了自适应鲁棒控制(ARC)策略，其有效性很快得到了诸多实用性检验。一种影射型自适应律保证了参数估计值始终落在有界集中，同时助力了鲁棒控制律的设计。ARC的高精度跟踪性能须借助于高增益反馈增益，然而，鉴于测量噪声和高增益反馈问题，高增益在工程实际中通常需要避免。

在解决模型不确定性问题上，基于干扰观测器的控制方法同样得到广泛研究。自抗扰控制器(ADRC)可以处理多种不确定性，包括未建模动态和各种外干扰。自抗扰控制器(ADRC)设计的要点在于采用扩张状态观测器来估计集中性干扰并予以前馈补偿。但是，扩张状态观测器(ESO)仅能估计匹配不确定性，对液压系统中常见的不匹配不确定性作用不大。近来，一种基于滑模控制器的扩张干扰观测器(EDO)受到广泛关注，用以解决非线性系统中的不匹配不确定性问题。然而，滑模控制律是不连续的，将引起系统围绕滑模面的剧烈抖振。另一方面，若系统的建模不确定性主要是由参数不确定性引起的，那么干扰观测器反而会引起控制性能的降阶，甚至不如自适应控制器。

发明内容

本发明的目的在于提供一种同时处理未知参数和不确定性干扰的电液伺服系统控制方法。

实现本发明目的的技术解决方案为：一种基于扩张干扰观测器的自适应控制方法，包括以下步骤：

步骤1，建立电液伺服系统的数学模型：据牛顿第二定律建立力平衡方程，根据液压系统动力学建立压强动态方程；并将力平衡方程和压强动态方程转化为状态空间方程；

步骤2，设计影射函数和自适应律：设计一个自适应律使得能在控制执行的同时对系统参数在线进行学习，设计影射函数保证参数自适应有界；

步骤3，扩张扰动观测器设计：基于扩张扰动观测理论，对匹配不确定性和不匹配不确定性分别设计观测器，加以学习，便于后续的前馈补偿；

步骤4、开展控制器设计：基于步骤2和步骤3对于不确定性的学习，进行前馈补偿，并设计鲁棒控制器，镇定系统名义误差，实现跟踪效果。

与现有技术相比，本发明的显著优点为：