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反饋線性化控制一臺(tái)轉(zhuǎn)動(dòng)液壓傳動(dòng)
控制工程實(shí)踐， 15卷， 12期， 2007年12月，頁1495至1507頁
Jaho Seo, Ravinder Venugopal 和 Jean-Pierre Kenné
摘要
線性反饋技術(shù)是用于設(shè)計(jì)控制器的位移、速度和控制液壓往復(fù)傳動(dòng)的壓差。該控制器，應(yīng)用了平方根非線性系統(tǒng)的動(dòng)力學(xué)，用于實(shí)施實(shí)驗(yàn)性測(cè)試平臺(tái)和成果的績(jī)效評(píng)估測(cè)試。本研究的目的是雙重的：第一，以目前的一個(gè)統(tǒng)一的方法跟蹤控制的位移，速度和壓差;第二，通過實(shí)驗(yàn)解決問題的系統(tǒng)是否可以以足夠的精確度模仿，從而有效地取消了非線性在實(shí)際體系中的應(yīng)用。
關(guān)鍵詞：非線性控制;反饋線性化;液壓作動(dòng)器;實(shí)時(shí)系統(tǒng)
1 導(dǎo)言
電液伺服液壓系統(tǒng)（ ehss ）廣泛應(yīng)用于各個(gè)行業(yè)，涉及到液壓沖壓、注塑成型機(jī)和航天飛行控制致動(dòng)器。電液伺服液壓系統(tǒng)作為非常有效的動(dòng)力驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，擁有高功率/質(zhì)量比，反應(yīng)快，高剛度，高承載能力等優(yōu)點(diǎn)。最大限度地利用液壓系統(tǒng)，并滿足日益嚴(yán)格的性能要求，魯棒跟蹤精度高和快的響應(yīng)速度是高性能伺服控制器所需要的。但是，傳統(tǒng)的線性控制器（ [Anderson， 1988年]和[Merritt， 1967年] ）的局限性在于非線性動(dòng)力學(xué)在電液伺服液壓系統(tǒng)中的應(yīng)用，具體地說，一個(gè)平方根關(guān)系壓差驅(qū)動(dòng)流的液壓流體和流速。這些限制已在文獻(xiàn)上都有記載了，見Ghazy（ 2001 ） ，Sun and Chiu（ 1999 ） ，例如:
若干做法已被提出，以解決這方面的不足，包括使用變結(jié)構(gòu)控制（Ghazy ， 2001年; Mihajlov, Nikolic, & Antic ， 2002年） ，回步（Jovanovic， 2002年; [ kaddissi等人， 2005年]和[ kaddissi等人， 2007年]; ursu ＆Popescu, 2002年）和反饋線性（ [[Chiriboga et al.， 1995年]和[Jovanovic， 2002年] ） 。變結(jié)構(gòu)控制在其基本形式是容易的抖振（ guglielmino ＆Edge， 2004年）因?yàn)榭刂扑惴ㄊ腔谵D(zhuǎn)換的;但是，提出了一些方案來解決這一問題（ [ ghazy ， 2001年] ， [ guglielmino and Edge， 2004 ] and [Mihajlov et al.， 2002年] ） ?；夭竭@種技術(shù)，是基于Lyapunov理論，并保證漸近跟蹤（ [Jovanovic, 2002，] ， [ kaddissi等人， 2005年] ， [Kaddissi et al.， 2007年]和[[Ursu and Popescu, 2002]） ，但是，尋找一種適當(dāng)應(yīng)用函數(shù)的技術(shù)具有挑戰(zhàn)性。使用這種方法的控制器具有典型的復(fù)雜性而且校正控制參數(shù)瞬態(tài)響應(yīng)也不直觀。其他的Lyapunov為基礎(chǔ)的技術(shù)解決了系統(tǒng)的非線性如摩擦，但也容易產(chǎn)生同樣的缺點(diǎn)（Liu & Alleyne, 1999年） 。反饋線性化，實(shí)現(xiàn)了非線性系統(tǒng)轉(zhuǎn)化為一個(gè)等價(jià)的線性系統(tǒng)有效地抵消閉環(huán)系統(tǒng)中的非線性計(jì)算，并提出了一種解決非線性系統(tǒng)的方法，同時(shí)也允許使用動(dòng)力線性控制設(shè)計(jì)技術(shù)來研究瞬態(tài)響應(yīng)要求和舵機(jī)的局限性。使用反饋線性控制電液伺服液壓系統(tǒng)已被描述在Chiriboga et al. (1995) and Jovanovic (2002) 、Br?cker and Lemmen ( 2001 ）的書里，為跟蹤控制的液壓柔性機(jī)器人而進(jìn)行的抗擾被認(rèn)為是利用解耦技術(shù)類似的反饋線性化方法提出了此處。但是，這種方法需要測(cè)量干擾勢(shì)力及其衍變的時(shí)間，在實(shí)際應(yīng)用中這是不太可能的。與上述提到的都是以全狀態(tài)反饋為基礎(chǔ)的做法相比，Sun and Chiu（ 1999 ）提出了設(shè)計(jì)一個(gè)基于觀測(cè)器的算法，專門為部隊(duì)控制的一個(gè)電液伺服液壓系統(tǒng)。一個(gè)采用迭代的方法設(shè)計(jì)的自適應(yīng)控制器來更新控制參數(shù)并解決由于較小廠房和擾動(dòng)知識(shí)造成的摩擦影響在這里被提出Tar, Rudas, Szeghegyi, and Kozlowski (2005)模型的基礎(chǔ)上，在Br?cker and Lemmen (2001) 描述了。
大部分的文獻(xiàn)就此有著相仿的記錄，與實(shí)際的試驗(yàn)結(jié)果Liu and Alleyne (1999), Niksefat and Sepehri (1999), Sugiyama and Uchida (2004) 表現(xiàn)出的明顯的例外 。本研究的重點(diǎn)是介紹一種全面的控制器設(shè)計(jì)方法，也就是涵蓋位移、速度和壓差控制的設(shè)計(jì)，它提出非線性在電液伺服液壓系統(tǒng)中的弊端并探討像瞬態(tài)響應(yīng)和實(shí)時(shí)實(shí)現(xiàn)這樣的實(shí)際性問題。因此，文中重要的部分是關(guān)于實(shí)驗(yàn)方面的研究。此外，這篇文章可以作為一個(gè)明確的指導(dǎo)，幫助其制定和實(shí)施反饋線性化控制器在電液伺服液壓系統(tǒng)中的應(yīng)用。
本文的組織結(jié)構(gòu)如下：第2節(jié)提出了旋轉(zhuǎn)液壓傳動(dòng)是用來作為實(shí)驗(yàn)測(cè)試平臺(tái)。在這一節(jié)中，該系統(tǒng)的數(shù)學(xué)建模，還審查和審定了實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。第3節(jié)描述設(shè)計(jì)PID控制器通過模仿和實(shí)驗(yàn)結(jié)果對(duì)反饋線性控制器的基線業(yè)績(jī)進(jìn)行考核;第4節(jié)描述了設(shè)計(jì)和實(shí)施反饋線性控制器，結(jié)束語提供在第5節(jié)。
2 建模
系統(tǒng)說明
這項(xiàng)研究的電液伺服系統(tǒng)是一種旋轉(zhuǎn)液壓傳動(dòng)技術(shù)在LITP（實(shí)驗(yàn)室Intégration萬德科技生產(chǎn)）的大學(xué)學(xué)院魁北克比涅技術(shù)高等學(xué)校（éTS ） 。此設(shè)立是通用，并允許簡(jiǎn)單的延伸結(jié)果應(yīng)用于其他電動(dòng)液壓系統(tǒng)，例如雙作用氣缸。 談到部分函數(shù)功能圖，如圖 1 ，直流電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)泵，泵提供了石油在恒定的應(yīng)壓力下，從油箱到系統(tǒng)的每個(gè)部分。石油是用于運(yùn)轉(zhuǎn)該液壓致動(dòng)器并通過大氣壓力經(jīng)由伺服閥回到油箱。一個(gè)蓄能器和一個(gè)減壓閥是通過泵的輸出量來維持一個(gè)穩(wěn)定的供應(yīng)壓力。電液伺服系統(tǒng)包括兩穆格系列73伺服閥來控制運(yùn)動(dòng)的旋轉(zhuǎn)致動(dòng)器和系統(tǒng)負(fù)載轉(zhuǎn)矩。這些伺服閥操作，由歐泊-逆轉(zhuǎn)錄實(shí)時(shí)數(shù)字控制系統(tǒng)產(chǎn)生的電壓信號(hào)所驅(qū)動(dòng)。
圖。 1 。功能圖的電液控制系統(tǒng)
致動(dòng)器和負(fù)載都和液壓馬達(dá)相連，由一個(gè)共同的軸、一個(gè)伺服閥調(diào)節(jié)動(dòng)器流體流量和調(diào)節(jié)其他流量負(fù)載。動(dòng)運(yùn)行在一個(gè)封閉的回路，而負(fù)荷運(yùn)行在開環(huán)中，與負(fù)載轉(zhuǎn)矩成正比并控制伺服閥電壓負(fù)荷，盡管動(dòng)器和負(fù)載在此項(xiàng)研究中是一種旋轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)器，同樣的設(shè)立可用于直線驅(qū)動(dòng)器和負(fù)載，因此，它們派代表作為通用組件圖。 1 。測(cè)試包括3個(gè)傳感器，兩個(gè)努肖克系列200個(gè)壓力傳感器，以0-10 V輸出相應(yīng)的一定范圍內(nèi)的20.7兆帕斯卡（ 3000 PSI ），可以測(cè)量這兩個(gè)商會(huì)旋轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)的壓力，而且是一個(gè)測(cè)速儀測(cè)量角速度的驅(qū)動(dòng)器。為了減少傳感器的個(gè)數(shù)（一種常見商業(yè)應(yīng)用程序） ，用于進(jìn)行數(shù)控整合角速度測(cè)量的角位移得到應(yīng)用。
圖 2 顯示該套系統(tǒng)的布局和蛋白石逆轉(zhuǎn)錄實(shí)驗(yàn)室數(shù)字化控制系統(tǒng)。
圖 2 布局litp試驗(yàn)臺(tái)。
該逆轉(zhuǎn)錄實(shí)驗(yàn)室系統(tǒng)包括一個(gè)實(shí)時(shí)目標(biāo)和PC主機(jī)。實(shí)時(shí)目標(biāo)按照了一個(gè)專門的商業(yè)實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)（ QNX的） ，采用模擬到數(shù)字（模擬/數(shù)字）轉(zhuǎn)換板來讀取傳感器信號(hào)來產(chǎn)生輸出電壓信號(hào)，伺服閥采用數(shù)字至模擬（ D /I）轉(zhuǎn)換顯示板。主機(jī)PC ，是用來產(chǎn)生代碼，利用Matlab / Simulink和蛋白石逆轉(zhuǎn)錄的逆轉(zhuǎn)錄實(shí)驗(yàn)室軟件，并監(jiān)測(cè)系統(tǒng)?？刂茀?shù)，還可以調(diào)整來自RT-LAB的on-the-fly。
3 結(jié)論
這項(xiàng)研究的目標(biāo)是探討非線性動(dòng)力學(xué)的輪訓(xùn)液壓傳動(dòng)技術(shù)，研究這些如何動(dòng)態(tài)產(chǎn)生PID控制器性能的局限性，以及設(shè)計(jì)和使用適合于位移、速度和壓力控制的伺服控制器。反饋線性理論被引入作為一種非線性控制技術(shù)，在這項(xiàng)研究中實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)，而且設(shè)計(jì)使用這種方法的控制器在實(shí)驗(yàn)測(cè)試中惡道了很好的利用。
從這些測(cè)試中可以看出液壓系統(tǒng)有非線性特性，反饋線性理論提供了強(qiáng)有力的控制策略，這顯然提高了對(duì)PID應(yīng)用在跟蹤精度和瞬態(tài)響應(yīng)方面的控制。研究結(jié)果表明該系統(tǒng)可以以足夠被模仿，從而有效地應(yīng)用于控制器。
這項(xiàng)研究?jī)H限于控制輪訓(xùn)液壓傳動(dòng)。應(yīng)用反饋線性理論來控制更復(fù)雜的綜合旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)和線性驅(qū)動(dòng)器，以及如摩擦等方面的影響，可被視為未來擴(kuò)展這方面工作的方向。