基于指令滤波的先导式电液比例伺服阀输出反馈控制方法

本发明涉及电液比例伺服控制，具体涉及一种基于指令滤波的先导式电液比例伺服阀输出反馈控制方法。

背景技术：

1、先导式电液比例伺服阀具有高压大流量的特性，其输出力/转矩大，动态频响高，抗污染能力强，因此被广泛应用于各种大型注塑设备及电液举升系统之中。先导式电液比例伺服阀是一种高度的非线性系统，无论是先导级还是主级，都存在诸多的非线性特性及不确定性。对于先导级而言，非线性特性主要有比例电磁铁的滞环、饱和，阀芯阀套间的摩擦等因素，不确定性主要体现在比例电磁铁及各运动部件的参数不确定性、油液的压缩系数、阀芯阀套间的配合间隙等。对于主阀而言，其主要的非线性特性还体现在阀体的流量压力非线性，尤其是高压大流量时这种影响更为严重，其不确定性则集中体现在参数不确定性以及所受到的外部扰动上，比如稳态液动力及瞬态液动力的影响，负载压力变化对主阀芯的影响等。随着工业设备对装机功率的要求不断提高，先导式比例伺服阀在电液伺服系统中的应用越来越广泛，传统的控制方法应用于先导式比例伺服阀时具有很大的限制，严重制约了系统整体的性能提升，因此针对该系统中存在的诸多非线性及不确定性，基于现代控制的手段，研究高性能非线性控制策略具有重要的意义。

2、对于先导式比例伺服阀的控制问题，许多控制器被相继开发出来。目前多数控制器还是采用传统的比例积分微分的控制策略，且采用全模拟式电路来实现。这种方法可靠性高，对模型信息要求较少，但是其整体性能表现不佳，且容易受元器件参数漂移的影响，参数调节不够灵活，后期维护及二次开发难度较大。随着计算机科学技术的不断发展，数字式微处理器的性能得以不断地提升，搭载数字信号处理器的先导式比例伺服阀控制器成为比例伺服阀发展的主流方向。基于该硬件基础，研究人员先后提出了多种非线性控制策略。其中自适应控制方法能够有效处理系统的参数不确定性问题，但是无法处理外部扰动。滑模变结构控制可以有效处理系统匹配的干扰项，但是对不匹配的不确定性却无能为力，另外滑模项中存在的符号函数会引起执行器的颤振问题，给控制系统带来负面的影响。此外，上述方法中无论是参数自适应律还是滑模符号函数，在数字系统的实现过程中都存在的较大的困难，对微处理器的性能要求很高。并不适用于实际的生产应用。自适应鲁棒非线性控制是一种既能处理不确定非线性又能抑制外部扰动的先进控制技术，但其设计过程是基于传统的反步法，在高阶系统的控制器设计中，这种方法将会遇到微分爆炸的问题，使得设计难度随系统阶数增长而呈几何上升趋势，进而导致设计工作无法正常进行。

技术实现思路

1、本发明的目的在于提供一种计算复杂性低、控制性能高的先导式电液比例伺服阀阀芯位移控制方法，既能保证系统整体的稳定性，又能避免传统反步控制方法中存在的微分爆炸问题。

2、实现本发明目的的技术解决方案为：基于指令滤波的先导式电液比例伺服阀输出反馈控制方法，包括以下步骤：

3、步骤1、建立先导式电液比例伺服阀的数学模型，转入步骤2。

4、步骤2、基于先导式电液比例伺服阀的数学模型，利用指令滤波器设计主阀芯输出反馈非线性位置控制方法，转入步骤3。

5、步骤3、运用李雅普诺夫稳定性理论进行非线性输出反馈控制器稳定性证明，得到系统观测误差与跟踪误差有界的结果。

6、本发明与现有技术相比，其显著优点是：（1）只要求阀芯位置信息可知，其他未知或不可测状态由状态观测器来获取，降低了测量噪声对控制精度的影响；（2）避免了电液系统传统反步控制中微分爆炸问题，便于实际的生产应用，仿真结果验证了其有效性。

技术特征：

1.一种基于指令滤波的先导式电液比例伺服阀输出反馈控制方法，其特征在于，包括以下步骤：

2.根据权利要求1所述的基于指令滤波的先导式电液比例伺服阀输出反馈控制方法，其特征在于，通过先导级阀芯左右运动控制先导油液流入或流出主阀芯两端的控制腔，两腔的压力差驱动主阀芯进行运动，根据比例电磁铁、先导阀、主阀的动力学特性，推导先导式电液比例伺服阀的数学模型，具体如下：

3.根据权利要求2所述的基于指令滤波的先导式电液比例伺服阀输出反馈控制方法，其特征在于，步骤2中，基于先导式电液比例伺服阀的非线性数学模型，针对主阀阀芯设计输出反馈非线性控制器，具体步骤如下：

4.根据权利要求3所述的基于指令滤波的先导式电液比例伺服阀输出反馈控制方法，其特征在于，步骤2-1中，为了解决先导级与主级之间控制腔压力不可测量的问题，构建线性状态观测器估计系统的未知状态，具体如下：

5.根据权利要求4所述的基于指令滤波的先导式电液比例伺服阀输出反馈控制方法，其特征在于，步骤2-2中，定义系统的滤波跟踪误差，为了实现对主阀芯的控制，应设计控制输入使得系统的跟踪误差应该尽可能的小，具体如下：

6.根据权利要求5所述的基于指令滤波的先导式电液比例伺服阀输出反馈控制方法，其特征在于，步骤2-3中，定义滤波跟踪误差，是针对的滤波误差补偿信号，为保证趋于0，应该保证误差趋向于0，具体如下：

7.根据权利要求6所述的基于指令滤波的先导式电液比例伺服阀输出反馈控制方法，其特征在于，步骤2-4中，定义滤波跟踪误差，是针对的滤波误差补偿信号，代表的虚拟控制律，为保证趋于0，应该保证误差趋向于0，具体如下：

8.根据权利要求7所述的基于指令滤波的先导式电液比例伺服阀输出反馈控制方法，其特征在于，步骤2-5、定义滤波跟踪误差，是针对的滤波误差补偿信号，代表的虚拟控制律，为保证趋于0，应该保证误差趋向于0，具体如下：

9.根据权利要求8所述的基于指令滤波的先导式电液比例伺服阀输出反馈控制方法，其特征在于，步骤2-6中，定义滤波跟踪误差，是最终的递归滤波误差补偿信号，为保证趋于0，应该保证误差趋向于0，具体如下：

10.根据权利要求9所述的基于指令滤波的先导式电液比例伺服阀输出反馈控制方法，其特征在于，步骤3所述的运用李雅普诺夫稳定性理论进行观测器及控制器的稳定性证明，得到系统观测误差及跟踪误差有界的结果，具体如下：

技术总结本发明公开了一种基于指令滤波的先导式电液比例伺服阀输出反馈控制方法，该控制方法以线性状态观测器为基础实现状态反馈，融合了指令滤波的思想，设计了能够保证高阶系统整体稳定的非线性控制策略。针对先导式电液比例伺服阀阀芯位置控制问题，本发明既全面考虑了先导阀与主阀的耦合特性，保证了系统整体的动态响应，又能避免传统反步控制在高阶模型中存在的微分爆炸问题，降低了非线性算法对硬件性能的要求，便于实际工业产品的开发与应用。技术研发人员：姚建勇,白艳春,杨晓伟,周宁受保护的技术使用者：南京理工大学技术研发日：技术公布日：2024/7/9