【摘 要】
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电动静液作动器(EHA)是一种闭式泵控液压系统,具有便于维护、结构简单、可靠性高、重量轻、低污染、低热量损失、结构紧凑等优点,因此被广泛应用于飞机、汽车、机械手和主动悬挂系统。但是,EHA系统中存在如下问题:(1)系统中存在不确定性,会造成控制性能的降低。(2)活塞杆长时间磨损所造成的液压缸内泄,会导致系统性能恶化。(3)在满足系统性能指标的前提下,应尽量使用低频宽的控制器。定量反馈理论(QFT)
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电动静液作动器(EHA)是一种闭式泵控液压系统,具有便于维护、结构简单、可靠性高、重量轻、低污染、低热量损失、结构紧凑等优点,因此被广泛应用于飞机、汽车、机械手和主动悬挂系统。但是,EHA系统中存在如下问题:(1)系统中存在不确定性,会造成控制性能的降低。(2)活塞杆长时间磨损所造成的液压缸内泄,会导致系统性能恶化。(3)在满足系统性能指标的前提下,应尽量使用低频宽的控制器。定量反馈理论(QFT)是一种线性鲁棒控制器设计方法,在控制器设计过程中,可以不断地权衡调节系统性能指标、控制器频宽、系统的不确定性范围等因素。本文基于QFT理论,针对EHA系统存在以上三个方面的问题,设计容错控制器,具体创新如下:(1)本文针对液压缸内泄漏故障,为EHA位置控制系统设计容错控制器,并且该控制器对弹簧刚度、负载质量、有效体积弹性模量和粘性阻尼系数具有鲁棒性。首先,利用物理方程建立系统的数学模型,然后基于QFT理论,根据跟踪性能指标和稳定性能指标设计控制器。为了提高位置精度,设计摩擦力补偿器。最后,通过仿真和实验验证控制器的性能。实验结果表明,即使内泄流量增加到8.5 L/min,系统仍然可以满足性能指标,并且摩擦力补偿器可以使系统稳态误差从0.2 mm减小到0.05 mm。(2)为了设计低频宽的控制器,必须用物理方程或者系统辨识方法建立系统的数学模型。由于系统中存在不确定性,并且难以对某些物理现象进行精确地建模,因此物理方程可能无法全面地描述系统,导致所建立的数学模型可能不够准确。而系统辨识方法应用测量的数据,这样系统的状态就可以被捕捉到,因此模型也就更加准确,所设计的控制器的频宽也就会更低。本文验证利用系统辨识建模方法,可以为EHA系统设计低频宽的控制器。首先,在不同弹簧刚度和不同负载质量条件下,利用离线、参数、线性的系统辨识方法,获得系统的数学模型。然后,根据所得到的一族传递函数模型以及跟踪性能指标、稳定性能指标和灵敏度性能指标,设计QFT控制器。同时,考虑同样的参数变化范围和闭环系统性能指标,利用物理方程建模方法设计另一个QFT控制器。仿真结果表明,两个控制器都可以满足系统性能指标。但是,与基于物理方程建模方法所设计的控制器相比,基于系统辨识建模方法所设计的控制器频宽较低,并且控制信号更加平稳,对扰动不敏感。(3)除了位置控制,压力控制在液压系统中也有广泛应用,例如汽车主动悬挂系统、冲压机、铸模机。因此,本文同样针对液压缸内泄漏故障,利用系统辨识建模方法,为EHA压力控制系统设计低频宽的容错控制器。首先,利用离线、参数、线性的系统辨识方法获得系统的数学模型,然后根据所得到的一族传递函数模型设计QFT容错控制器。控制器可以在不同内泄程度、不同弹簧刚度和不同负载质量条件下满足跟踪性能指标、稳定性能指标和灵敏度性能指标。最后通过仿真和实验验证控制器的性能。实验结果表明,即使内泄流量增加到12 L/min,系统仍然可以满足性能指标。
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