非线性电液伺服系统的多滑模模糊控制
陈 刚 柴 毅 魏善碧 丁宝苍
【摘要】 针对具有未知强非线性函数、未知控制增益的非匹配非线性电液伺服系统,结合专家语言信息和滑模控制的强抗干扰特性,提出一种多滑模模糊控制策略。通过参数的非连续投影算法,带饱和层的滑模面设计技术以及积分型李雅普诺夫设计技术的集成,使得算法提高了系统在抑制参数漂移、抖振现象、控制器奇异等方面的能力。理论证明了系统跟踪误差收敛于任意设定的滑模面饱和层内。仿真结果表明了理论分析的有效性。
关键词:电液伺服系统 模糊控制 滑模控制 非线性系统
中图分类号:TP273文献标识码:A
引言
电液伺服系统具有体积小、质量轻、响应速度快、信号处理灵活、刚度高、输出功率大等优点,因此在农业机械设备、材料的加工与处理、工业过程控制等领域得到了广泛的应用[1~5]。由于液压动力学系统的高度非线性、伺服阀的阀芯换向、运动摩擦等因素,伺服系统是一个典型的非线性系统。同时系统负载,外界干扰,不同温度下液压油的弹性模量和粘性的变化等使得系统存在大量的不确定性[6~8]。
传统的PID控制算法是在某一特定条件下整定完成的,对于电液伺服系统而言,由于高度的非线性和不确定性,常规PID控制算法往往达不到设计要求。通常的控制算法是在工作点处对电液伺服系统非线性模型进行线性化处理,然后应用线性控制理论进行控制器的设计。由于液压系统的工作点一般不固定,采用近似线性化方法处理的系统模型将存在很大误差,使得控制性能下降。滑模控制具有抗干扰强、结构简单、响应快等优点。滑模控制与状态反馈精确线性化控制相结合的方法得到了研究人员的广泛关注,在液压控制系统中得到了广泛的应用。为使系统在滑动模态上运动,变结构滑模控制需要反复地作逻辑切换,故容易引起抖动现象[9]。
变结构控制算法另一不足之处是要求系统的不确定性满足匹配条件。液压系统的不确定性是非匹配的,而且阶次较高[10]。
电液伺服系统得到了广泛应用,设计一种能克服系统非线性特性和时变特性,又具有良好跟踪性能的控制器仍然很困难,并不成熟。事实上,对绝大多数的实际系统来说,其信息来源于由传感器得到的数据信息和专家的语言信息。综合利用这些信息,可以更好地解决一些复杂的问题。本文将针对电液位置伺服系统,采用文献[11]的思路,提出一种多滑模模糊控制策略。
1 电液位置伺服系统的数学模型
电液位置伺服系统原理如图1所示,通过对伺服阀的控制实现对液压缸活塞位移的伺服控制。
5 结束语
针对电液位置伺服系统存在的强非线性、控制增益未知和非匹配不确定性,通过引入模糊逻辑系统和带饱和层的多滑模面,提出了一种多滑模模糊控制方法。该方法运用专家的语言知识和滑模控制优良的抗干扰特点,采用构造性方法设计控制器。运用非连续投影算法和积分李亚普诺夫技术,算法很好地避免了参数漂移和控制器奇异问题。理论证明了系统跟踪误差收敛于任意设定的滑模面饱和层内。仿真结果表明了理论结果的有效性。
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