基于李雅普诺夫直接法的电液力控制系统稳定性研究

电液力控制系统是一种高度非线性的时变复杂系统,其传递函数的分子中存在振荡频率较低的二阶微分环节,导致系统状态趋于振荡甚至不稳定,尤其是在系统负载刚度远小于液压弹簧刚度的情况下。针对上述问题,本文运用流量连续性方程和系统动力学方程,建立了适用于全工作范围的阀控缸系统的数学模型,在此基础上得出与输出变量相关的三阶微分方程。然后利用李雅普诺夫直接法的反演方式求解系统稳定条件,将其转变为二阶液压补偿器,并给出了具体的推导过程和构造方案。通过Simulink仿真对比分析了系统分别加入传统双惯性环节和二阶液压补偿器的校正效果,讨论了液压弹簧刚度与负载刚度的变化对系统特性的影响。结果表明,二阶液压补偿器能有效提高系统的稳定性并抑制谐振峰值;对于不同频率的正弦输入信号,系统可在0.12 s内达到稳态,最大稳态误差不超过3.7%;当负载刚度远小于液压弹簧刚度时,随着负载刚度的减小,系统响应速度变慢,稳态误差增大;在液压缸活塞接近于行程终端位置的工况条件下,与双惯性环节校正效果相比,系统在二阶液压补偿器作用下的上升时间、峰值时间和调整时间分别缩短68%、59%和37%,稳态误差减小。     

基于参数估计-滑模阻抗控制的SEA性能分析

重载四足机器人的足部与地面接触过程和步态转换过程中会受到不确定的冲击载荷作用,易导致足部机构载荷过大从而造成结构的冲击损坏。因此,针对使用液压串联弹性执行器（series elastic actuators,SEA）作为足部末端在非结构环境下动态性能差的问题,提出了基于环境参数估计的滑模阻抗控制方法（environmental parameter estimation sliding mode,EPESM）。以阀控液压缸的活塞位移传递函数为基础建立了基于位置内环的SEA阻抗控制模型,并以PID作为基础控制器;为改善SEA阻抗控制的动态性能,根据Lyapunov第二法构建稳定的自适应环境参数估计方法对SEA期望位置进行前馈补偿;为提升自适应环境参数估计方法在SEA工作过程中不同阶段的动态性能和环境变化适应性,使用模糊控制方法对自适应环境参数估计方法中的自适应参数进行寻优;以SEA状态方程为基础构建滑模控制器与PID控制器进行动态性能对比分析。仿真结果表明：在变SEA弹簧刚度工况和变环境刚度下,EPESM阻抗控制的响应速度明显更快,可将调节时间从平均5 s缩短到1 s内,能更快地达到预期位移和预期接触力,且能略微降低稳态误差,使接触力误差保持在±6 N内。在动态跟踪工况下,EPESM阻抗控制的动态性能更好,在快速进入跟踪状态后,可以长时间保持0.2 s以内的相位滞后和5.2%的幅值误差。     

径向柱塞泵电液比例排量的模糊积分复合控制

在液压控制系统中,采用传统的PID控制策略难以达到高精度的要求。本文提出一种模糊-积分复合控制策略,大偏差时采用模糊控制,小偏差时采用积分控制,由此构造的控制器满足液压系统响应速度快,超调小,没有稳态误差的要求。     

被动式电液加载系统的变刚度自适应控制

建立了被动式电液加载系统的数学模型,分析由位置扰动和系统自身结构引起的稳态误差,讨论了负载刚度和液压刚度在系统主要行程范围内变化对系统动态特性的影响。采用高阶系统跟随低阶参考模型的自适应控制方法,在选择二阶参考模型的固有频率时综合考虑了两方面的因素,既发挥了液压动力机构响应频率高的优势又确定了合理的频宽。运用Narendra稳定自适应控制理论设计自适应控制器,建立增广误差模型,选取Lyapunov能量函数并导出能使系统全局渐进稳定的自适应律。利用Simulink软件进行数值仿真,仿真结果表明,加入自适应控制器后,系统能稳定地跟随参考模型,两者误差快速收敛为零,并且系统在5组不同参数设置下的动态响应性能几乎一致,上升时间和调整时间分别为4.8ms和14.6ms,稳态误差仅为0.03%;同时,由速度为0.5m/s的位置扰动引起的系统误差最大仅为0.58kN并于35ms后消除。故本文设计的自适应控制器使被动式电液加载系统在变参数和位置扰动条件下的动态特性和精度得到大幅提升。     

基于负载选择的非线性刚度驱动器性能评价

恒定刚度的串联弹性驱动器(SEA)的控制性能受刚度的限制,存在着系统安全性与带宽之间的矛盾.可变刚度驱动器(VSA)在一定程度上解决了高安全性与高控制带宽之间的矛盾,但其采用的刚度调节电机增加了结构的复杂性.基于"小负载,低刚度;大负载,高刚度"的人机交互策略的负载选择的非线性刚度驱动器(LDNSA)是一种新的具有良好应用前景的驱动方案.通过Simulink仿真和试验探讨了LDNSA在不同的刚度区间(不同的负载条件)的力矩控制性能,并与不同刚度的SEA的控制性能进行了比较分析.结果表明:与SEA相比,虽然LDNSA的力矩响应平稳性比低刚度的和高刚度SEA差,但LDNSA在负载较小时具有高安全性的同时依然能保证高的控制带宽,而负载较大时,LDNSA的控制带宽更高且力矩响应平稳性能增强.     

基于惯性补偿的微网逆变器控制策略

针对带LC输出滤波器的三相逆变器,分析了并网和离网两种状态下的PR控制策略.对离网感性负载时系统出现的振荡现象,提出PR控制器结合惯性补偿的控制策略,在反馈回路加入一阶惯性环节,以改善系统动态结构、消除系统自振荡.仿真结果表明,所提控制策略在离网逆变器中具有良好的动静态性能,可实现正弦交流指令的零稳态误差控制.     

负载与支承刚度对面齿轮传动系统动态特性的影响分析

为研究负载及支承刚度变化时对面齿轮传动系统动态特性的影响,建立了包含支承、齿侧间隙、时变啮合刚度、综合传动误差、阻尼和负载激励等参数的系统弯-扭耦合动力学模型,并使用PNF(Poincaré-Newton-Floquet)方法进行求解。计算结果表明,在不同的负载及支承刚度条件下,系统会出现简谐响应、次谐响应、拟周期响应及混沌响应4类稳态响应。增加负载及支承刚度能有效降低系统的动载荷,而增大支承刚度还可以减小面齿轮支承在方向与方向上的振动位移幅值差距。     

PWM整流系统模糊逻辑控制研究

针对三相电压源PWM整流双闭环控制系统中电压外环控制器动态响应速度快的要求,按照模糊逻辑控制器的原理,根据系统输出直流母线电压误差和电压误差变化率提出并设计一种模糊逻辑电压控制器,从而得到控制器的比例积分系数．在Matlab环境下建立了仿真模型,进行了系统带载启动、增加负载以及减小负载情况下进行了传统PID控制和基于模糊逻辑控制情况下系统输出直流电压的超调量和响应时间的对比实验．结果表明：这种控制方法在不改变系统的拓扑结构,不增加控制器的实现难度的情况下,在PWM整流系统中使用模糊逻辑控制,能改善系统的动态性能,抑制动态响应过程中的超调量,提高系统动态响应速度．     

五自由度磁轴承系统的α阶逆系统解耦控制

采用α阶逆系统理论对五自由度磁轴承系统进行解耦控制.在建立磁轴承系统状态方程的基础上,对该系统进行了基于逆系统理论的线性解耦,并根据时间乘以误差绝对值积分(integral of time-weighted absolute error,ITAE)最小评价准则设计了闭环控制器.仿真和试验表明,α阶逆系统解耦后系统各自由度之间不存在耦合,解耦控制器与PID控制器相比,具有更好的动态特性和静态特性.     

磁悬浮立式铣床主轴稳态特性

分析磁悬浮立式铣床主轴控制系统中PID参数对系统阶跃响应的影响,优选出两组PID参数,并对磁悬浮立式铣床主轴在不平衡激扰力作用下的动态特性进行仿真研究.结果表明,PID控制器的比例参数影响系统阶跃响应的超调量,积分参数有利于减小系统稳态误差,但积分作用不易过大,微分环节影响系统的响应时间;磁悬浮立式铣床主轴质量不平衡引起的激扰力会降低主轴旋转精度,在不平衡激扰力作用下,磁悬浮立式铣床主轴端面中心将产生与其转速同频率的周期性振荡,随着磁悬浮主轴转速升高,主轴端面中心振荡加剧.     

自动送钻实验系统的优化加权模糊控制

针对自动送钻实验系统，设计了一种带优化加权因子的模糊控制器，以ITAE积分性能指标为寻优目标函数，通过对误差和误差变化的加权因子的优化来获得系统的最佳模糊控制规则，并将其控制效果与一般模糊控制器的效果进行了仿真比较。结果表明，一般模糊控制器作用于自动送钻实验系统时，由于超调量太大，系统难以正常工作；带优化加权因子的模糊控制器可使系统的超调量降到4％，调节时间为17s，稳态误差小于0.1%，其他性能指标均满足要求，大大改善了系统的动态性能。     

永磁同步直线电机混沌杂草自抗扰控制研究

针对永磁同步直线电机没有中间传动环节, 任何不确定性扰动都会直接影响控制系统性能的问题, 设计 了一种改进杂草算法优化的 PMLSM(Permanent Magnet Linear Synchronous Motor)二阶自抗扰控制器。 通过采用 混沌反向学习初始化方法和柯西分布的空间分布方式改进杂草算法优化自抗扰控制器参数, 经过优化的自抗 扰控制器的控制其性能有明显提高。 仿真结果表明, 该自抗扰控制器响应速度快, 稳态误差减小 2% 且无超 调, 对负载扰动具有良好的鲁棒性。     

伺服阀滑阀阀口系数影响因素分析

分析电液伺服系统中液压缸活塞位移、液压刚度、阀口开度、外负载刚度及阀芯与阀套间径向间隙对伺服阀阀口系数的影响。采用工作点线性化的处理方法,通过引入液压缸负载力方程,给出零开口电液伺服阀滑阀流量-压力系数和流量增益的计算公式,并对其影响因素进行分析。结果表明,在液压缸全行程中,流量-压力系数会随着液压缸活塞位移、外负载刚度及阀口开度的增加而增大,其中流量-压力系数随液压缸活塞位移的增大呈抛物线增长,其最大值约为最小值的2倍;流量增益随着液压缸活塞位移、外负载刚度的增大而减小,其中流量增益随液压缸活塞位移的增大而近似呈线性规律减小,其最小值约为最大值的1/2;阀芯与阀套间径向间隙对阀口系数随液压缸活塞位移变化率的影响不大;阀口系数在液压刚度取最小值附近时存在突变;同一液压刚度值可对应2个不同的液压缸活塞位移,分别对应的阀口系数值相差非常大。     

带有HGO的非线性鲁棒控制器及其参数整定

为克服分散鲁棒控制器设计中输出量各阶导数可测要求的限制,设计了带有高增益观测器的非线性鲁棒控制器.该方法不依赖于对象模型,通过积分环节对系统不可测部分和扰动进行估测,并予以补偿,提高系统的性能鲁棒性和动态性能;减少了控制器的可调参数,提高了实用性.选取典型的单变量非线性系统,基于Monte-Carlo随机试验,采用时间乘误差绝对值积分(ITAE)值作为性能指标,研究控制器参数对系统性能影响,并总结出该控制器的参数整定规则.     

考虑摩擦补偿的SEA弹性体刚度在线估计方法

提出了一种考虑摩擦补偿的串联弹性作动器(SEA)弹性体刚度在线估计方法.该方法利用作动器在适当条件下电机电流补偿摩擦力矩后估计的力矩来实时校准弹性体刚度,以减小弹性体刚度变化带来的力矩估计误差.通过实验定量分析了基于谐波减速器的系统摩擦力矩模型参数.对比弹性模型和电流模型计算力矩的优缺点,分析出当电机角速度在适当范围且负载变化较小的稳定状态时,电流力矩模型补偿摩擦力矩后可准确地计算负载力矩.负载稳定状态时,以电流模型估计力矩,并采用卡尔曼滤波算法对弹性体刚度实时校准.负载不稳定状态时,以弹性模型估计力矩.实验结果表明,本方法能有效克服弹性体刚度变化导致的力矩误差.     

电液流量匹配控制系统特性仿真分析

对比分析了传统负载敏感液压系统与电液流量匹配控制系统的结构及控制特点,建立电液流量匹配控制系统AMEsim仿真模型及系统控制器,采用AMEsim与Matlab/Simulink联合仿真,进行系统特性研究.分析结果表明,电液流量匹配控制系统在流量饱和状态下能够实现与外部负载无关的流量分配,保证执行器复合动作的协调性;与传统LUDV负载敏感系统相比,避免了泵与最大负载之间的预设固定压差,提高系统的节能性;不需变量泵控制机构与最大负载压力反馈回路,简化液压系统结构,改善系统动态响应特性.     

无刷直流电机转速智能混合控制器设计

提出一种传统PI(比例 积分)结合自适应模糊PID(比例 积分 微分)的智能混合控制器, 以提高无刷直流电机转速跟踪和动态适应能力. 该控制器通过开关函数根据转速误差在稳态的PI控制器和瞬态的自适应模糊PID控制器之间灵活切换. 自适应模糊PID包含两级模糊逻辑控制器: 一级模糊逻辑控制器自适应调节PID增益; 二级逻辑模糊控制器对一级模糊逻辑控制器的缩放因子自动调节. 在MATLAB/Simulink环境下进行仿真测试, 测试结果表明, 相比于传统PID和模糊PID控制器, 智能混合控制器在各种条件下的转速响应、 稳态误差和超/欠调量等均有较大改善, 表明其具有更好的鲁棒性、 抗干扰性和动态适应能力.     

永磁同步电机非奇异快速终端可变边界层滑模控制

针对永磁同步电机(PMSM)调速系统易受到参数不确定性及负载扰动的影响,提出了一种新型可变边界层的非奇异快速终端滑模(NFTSM)控制策略。首先,构建可在有限时间内快速收敛的非奇异快速终端滑模面;然后,采用角速度与q轴定子参考电流的二阶模型设计速度环滑模控制器,减小了角速度与q轴定子参考电流一阶模型所引起的误差,并避免了终端滑模面奇异问题;最后,设计可变边界层使误差减小至阈值时系统状态切换至小边界层,实现抖振和跟踪精度的协调控制。数值仿真结果表明,NFTSM控制策略与传统PI控制策略相比,转速超调量小,响应速度快,稳态精度近似为0,对参数摄动和负载扰动鲁棒性强,且在有效削弱抖振的同时保证了转速的稳态精度。     

基于变论域模糊控制的风机叶片颤振抑制

针对时变、滞后、非线性的风力机叶片系统,基于变论域思想,设计出一种变论域最优模糊比例积分微分(proportion intergration differentiation, PID)控制器,解决叶片经典颤振断裂失效问题。叶片结构模型采用基于弹簧-质量-阻尼器的典型截面模型,结合经典颤振稳态气动力模型,得到叶片气动弹性方程。通过变论域最优模糊PID控制器给出变桨信号,同时二阶变桨激励器执行变桨动作,进行颤振抑制。根据时间乘绝对误差积分准则(ITAE)准则,通过寻优得到PID最优初始值。仿真结果表示,与增量式模糊PID相比,变论域最优模糊PID控制器可动态调整论域范围,收敛时间快、幅值更低且具有良好的通用性。     

带前馈的模糊积分控制器在伺服系统中的应用

以数控机床的伺服控制系统为对象，提出了带前馈的参数自整定模糊积分控制模式，在设计伺服控制器时将积分引入模糊控制器，以减小控制死区，提高稳态性能；同时引入前馈，以进一步提高响应的快速性和减小动态响应的误差。仿真结果表明了该方法在斜坡响应中无超调，稳态精度高。