一种位置扰动型电液力伺服加载系统解耦控制方法

本发明涉及一种位置扰动型电液力伺服加载系统解耦控制方法，属于高精度伺服控制系统的。

背景技术：

1、电液负载模拟器在原理本质上作为一种位置扰动型的电液力伺服加载系统，在力加载系统对位置系统进行输出力加载之前，位置系统发生主动运动并输出位移，反馈回的位移信号会通过力发生函数生成力加载系统的指令信号。如果将这种主动运动看作电液力伺服系统的额外输入，那么力加载系统和位置系统的输入与力加载系统的输出力和位置系统的输出位移共同构成了多变量的耦合系统，使得电液力伺服系统更加复杂，控制也更加困难。因此，为了在位置系统输出的主动位移的扰动下保证力加载系统的加载精度和系统稳定性，需要采用具有解耦功能的控制策略。

2、经典的解耦控制方法有反馈解耦控制，对于多输入多输出的多变量系统，由于结构复杂，耦合情况严重，在采用反馈解耦控制方法时，补偿环节的设计依赖系统数学模型且难以保证解耦效果。而状态反馈解耦控制可实现系统一对一控制，保证各输入和输出单独运行，实现解耦变量的单独控制。

3、为使解耦效果更好，需要对状态反馈解耦控制中的状态反馈矩阵和输入变换矩阵的16个元素进行寻优。可以使用智能算法对其寻优，如灰狼优化算法，且有结构简单、参数少、收敛快、精度高等特点，但其线性收敛因子不能执行算法对复杂函数的优化，导致陷入局部最优值。如何对采用一种有效智能算法对状态反馈解耦控制矩阵元素寻优，成为国内外学者研究的重点。

技术实现思路

1、有鉴于此，本发明的目的在于提供一种位置扰动型电液力伺服加载系统解耦控制方法，使得位置扰动型电液力伺服加载系统在多变量耦合情况下，具有较好的加载精度和系统稳定性。

2、实现本发明目的的技术方案为：

3、一种位置扰动型电液力伺服加载系统解耦控制方法，其特征在于，包括以下步骤：

4、步骤1、在位置系统和力加载系统组合成的双输入双输出的耦合系统中引入状态反馈解耦控制方法，通过设计一对转换和状态反馈矩阵，使原有系统的传递函数矩阵成为对角形式的传递函数矩阵，将双输入双输出的耦合控制回路转变为两个独立的控制回路形式，实现解耦控制目的；

5、步骤2、通过引入非线性收敛因子和改进的位置更新公式，优化灰狼优化算法的寻优路线，充分反映α、β和γ狼的位置适应度的优先级，用三种不同类型的α、β和γ狼的位置来确定狼觅食的空间区域，并根据这三种最优解计算全局最优解，对传统的灰狼优化算法进行改进；

6、步骤3、应用改进的灰狼优化算法，对状态反馈解耦控制中的转换矩阵和反馈矩阵的参数进行寻优，并用解耦控制的性能指标表示出来，转化为优化算法寻优时的适应度函数，通过适应度函数整定好合适的一组解耦通道参数来保证解耦性能；

7、步骤4、通过在解耦后的系统中引入线性自抗扰控制器作为系统的前置控制器，并将解耦方法未完全解耦的部分当作未知扰动进行补偿，保证系统的跟踪精度快速响应特性。

8、采用状态反馈解耦控制方法对耦合系统进行解耦控制，具体为：

9、位置扰动型电液力伺服加载系统状态空间模型为：

10、

11、式中，x为系统状态向量；a为系统矩阵；b为系统输入向量；c是系统输出向量。

12、采用下式将状态反馈中的转换矩阵和反馈矩阵引入到系统模型中，实现系统的解耦控制；

13、

14、式中，k为反馈矩阵，l为转换矩阵。

15、利用改进的灰狼优化算法对转换矩阵和反馈矩阵中的参数进行寻优，具体为：

16、灰狼包围猎物行为：

17、

18、式中：d为灰狼和猎物之间的距离，xp(t)为猎物在t次迭代时的位置，x(t)为灰狼第t次迭代时的位置，c和a由以下方程确定。

19、

20、式中：r1和r2是随机向量数，a是收敛因子。灰狼通过以下等式判断猎物的位置，并以预定的方式不断接近猎物。

21、改进的非线性收敛因子：

22、

23、式中：am为收敛因子初始值，k为控制因子，i为当前迭代次数，m为最大迭代次数。

24、改进的灰狼狩猎行为：

25、

26、式中：ω1、ω2和ω3由以下方程确定。

27、

28、式中：|x1|、|x2|和|x3|分别表示每次迭代后α、β和γ狼的适应度值的绝对值。

29、本发明的有益效果：

30、1)在位置系统和力加载系统组合成的双输入双输出的耦合系统中引入状态反馈解耦控制方法，可以有效解决位置扰动型电液力伺服加载系统的耦合问题，使得双输入双输出的耦合控制回路转变为两个独立的控制回路形式。可以在消除力加载系统和位置系统变量间的耦合影响的基础上，方便力加载系统和位置系统通道上控制器的设计，保证在力加载系统输出力精度的同时，做到兼顾位置系统的输出位移精度。

31、2)引入非线性收敛因子和改进的位置更新公式，对传统的灰狼优化算法进行改进。采用改进的灰狼优化算法，对状态反馈解耦控制中的转换矩阵和反馈矩阵的参数进行寻优，达到解耦控制的目的。

32、3)在解耦后的系统中引入线性自抗扰控制器作为系统的前置控制器，保证系统的跟踪精度快速响应特性，还可以将上述的解耦方法未完全解耦的部分当作未知扰动进行补偿，提高加载精度。

技术特征：

1.一种位置扰动型电液力伺服加载系统解耦控制方法，其特征在于，包括以下步骤：

2.根据权利要求1所述的一种位置扰动型电液力伺服加载系统解耦控制方法，其特征在于步骤1所述的采用状态反馈解耦控制方法对耦合系统进行解耦控制，具体为：

3.根据权利要求1所述的一种位置扰动型电液力伺服加载系统解耦控制方法，其特征在于步骤2，所述的利用改进的灰狼优化算法对转换矩阵和反馈矩阵中的参数进行寻优，具体为：

技术总结本发明公开了一种位置扰动型电液力伺服加载系统解耦控制方法，该方法首先在位置系统和力加载组合成的双输入双输出耦合系统中引入状态反馈解耦控制方法；为使状态反馈解耦控制方法达到满意的解耦控制效果，采用改进的灰狼优化算法对状态反馈解耦控制方法中的转换矩阵和反馈矩阵参数进行寻优，并采用线性自抗扰控制器作为系统的前置控制器来保证系统的跟踪精度和快速响应特性。本发明在保证力加载系统输出力加载精度的同时，能兼顾位置系统的位置加载精度。技术研发人员：高炳微,杜书超,唐湘朋,徐滨受保护的技术使用者：哈尔滨理工大学技术研发日：技术公布日：2024/6/23