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基于扩张状态观测器的泵控电液伺服系统滑模控制

郭新平 汪成文 刘华 张震阳 吉鑫浩 赵斌

郭新平, 汪成文, 刘华, 等 . 基于扩张状态观测器的泵控电液伺服系统滑模控制[J]. 北京航空航天大学学报, 2020, 46(6): 1159-1168. doi: 10.13700/j.bh.1001-5965.2019.0418
引用本文: 郭新平, 汪成文, 刘华, 等 . 基于扩张状态观测器的泵控电液伺服系统滑模控制[J]. 北京航空航天大学学报, 2020, 46(6): 1159-1168. doi: 10.13700/j.bh.1001-5965.2019.0418
GUO Xinping, WANG Chengwen, LIU Hua, et al. Extended-state-observer based sliding mode control for pump-controlled electro-hydraulic servo system[J]. Journal of Beijing University of Aeronautics and Astronautics, 2020, 46(6): 1159-1168. doi: 10.13700/j.bh.1001-5965.2019.0418(in Chinese)
Citation: GUO Xinping, WANG Chengwen, LIU Hua, et al. Extended-state-observer based sliding mode control for pump-controlled electro-hydraulic servo system[J]. Journal of Beijing University of Aeronautics and Astronautics, 2020, 46(6): 1159-1168. doi: 10.13700/j.bh.1001-5965.2019.0418(in Chinese)

基于扩张状态观测器的泵控电液伺服系统滑模控制

doi: 10.13700/j.bh.1001-5965.2019.0418
基金项目: 

国家自然科学基金 51505316

国家自然科学基金 51605322

流体动力与机电系统国家重点实验室开放基金 GZKF-201720

详细信息
    作者简介:

    郭新平   男, 硕士研究生。主要研究方向:电液伺服控制

    汪成文   男, 博士, 副教授。主要研究方向:电液伺服控制

    刘华   男, 硕士研究生。主要研究方向:进出口独立控制、负载敏感系统

    张震阳   男, 硕士研究生。主要研究方向:液压机器人

    吉鑫浩   男, 硕士研究生。主要研究方向:液压伺服控制

    赵斌   男,博士,副教授。主要研究方向:工程装备电液节能系统、液压元件

    通讯作者:

    汪成文. E-mail:cwwang@yeah.net

  • 中图分类号: V221+.3;TB553

Extended-state-observer based sliding mode control for pump-controlled electro-hydraulic servo system

Funds: 

National Natural Science Foundation of China 51505316

National Natural Science Foundation of China 51605322

Open Foundation of the State Key Laboratory of Fluid Power and Mechatronic Systems GZKF-201720

More Information
  • 摘要:

    以泵控电液伺服系统为研究对象,提出了一种基于扩张状态观测器的滑模位置跟踪控制策略。首先,利用奇异扰动理论对泵控电液伺服系统的数学模型进行降阶处理,得到降阶泵控电液位置伺服系统数学模型。其次,针对泵控电液伺服系统工况的复杂性及外负载干扰问题,设计了扩张状态观测器对系统干扰在线观测,同时该观测器还可以对活塞杆的位置和速度信号进行估计。然后,利用观测到的干扰信号及速度信号,基于滑模控制理论设计了滑模变结构控制算法,对所提出的控制策略的稳定性进行了理论分析。最后,利用MATLAB/Simulink和AMESim仿真平台,搭建了泵控电液伺服系统的联合仿真模型,对算法的可行性及有效性进行了仿真验证。仿真结果表明,所设计的扩张状态观测器能对干扰进行精确估计,基于扩张状态观测器的滑模控制策略的位置跟踪性能显著优于PID控制器和传统滑模控制器,且对外部干扰力具有较强的鲁棒性,提高了泵控电液伺服系统的控制性能。

     

  • 图 1  泵控电液伺服系统原理

    Figure 1.  Principle diagram of pump-controlled electro-hydraulic servo system

    图 2  MATLAB/Simulink和AMESim联合仿真模型

    Figure 2.  MATLAB/Simulink and AMESim co-simulation model

    图 3  无干扰情况下跟踪0.1Hz、50mm正弦位置指令

    Figure 3.  Tracking 0.1Hz, 50mm sinusoidal position command without disturbance

    图 4  3000N阶跃干扰力下跟踪0.1Hz、50mm正弦位置指令

    Figure 4.  Tracking 0.1Hz, 50mm sinusoidal position command under 3000N step disturbing force

    图 5  参数大范围变化、强扰动作用条件下跟踪0.1Hz、50mm正弦位置指令

    Figure 5.  Tracking 0.1Hz, 50mm sinusoidal position command under the condition of large range variation of parameter and strong disturbance action

    图 6  2Hz、1000N余弦干扰力下跟踪0.5Hz、10mm正弦位置指令

    Figure 6.  Tracking 0.5Hz, 10mm sinusoidal position command under 2Hz, 1000N cosine disturbing force

    表  1  泵控电液伺服系统仿真参数

    Table  1.   Simulation parameters of pump-controlled electro-hydraulic servo system

    参数 数值
    双向定量泵排量/(mL·r -1) 13.3
    液压缸活塞直径/mm 40
    活塞杆直径/mm 28
    负载质量/kg 55
    伺服电机与双向定量泵
    连接刚度/(N·m·(°) -1)
    10000
    液控单向阀开启压力/MPa 0.3
    库伦摩擦力/N 30
    液压缸黏性阻尼系数/
    (N·(m·s -1) -1)
    100
    活塞行程/m 0.2
    油液弹性模量/MPa 700
    伺服电机转动惯量/(kg·cm 2) 50
    溢流阀设定压力/MPa 15
    液压缸泄漏系数/(L·min -1·MPa -1) 0.3
    液压缸静摩擦力/N 50
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    表  2  无干扰情况下跟踪0.1Hz、50mm正弦位置指令综合性能指标对比

    Table  2.   Comparison of comprehensive performance indexes of tracking 0.1Hz, 50mm sinusoidal position command without disturbance

    控制方法 IAPE/m IMSE/m 2 IMSC/(rad·s -1) 2
    PID控制 1.30×10 -3 1.16×10 -6 4.52×10 3
    传统滑模控制 1.00×10 -3 5.19×10 -7 4.25×10 3
    观测器+滑模控制 1.84×10 -5 1.64×10 -10 4.26×10 3
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    表  3  3000N阶跃干扰力下跟踪0.1Hz、50mm正弦位置指令综合性能指标对比

    Table  3.   Comparison of comprehensive performance indexes of tracking 0.1Hz, 50mm sinusoidal position command under 3000N step disturbing force

    控制方法 IAPE/m IMSE/m 2 IMSC/(rad·s -1) 2
    PID控制 6.50×10 -3 1.76×10 -6 1.02×10 4
    传统滑模控制 3.00×10 -3 1.36×10 -6 9.80×10 3
    观测器+滑模控制 1.90×10 -3 1.72×10 -9 9.88×10 3
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    表  4  参数大范围变化、强扰动作用条件下跟踪0.1Hz、50mm正弦位置指令综合性能指标对比

    Table  4.   Comparison of comprehensive performance indexes of tracking 0.1Hz, 50mm sinusoidal position command under the condition of large range variation of parameter and strong disturbance action

    控制方法 IAPE/m IMSE/m 2 IMSC/(rad·s -1) 2
    PID控制 4.19×10 -2 2.88×10 -5 2.31×10 5
    传统滑模控制 9.30×10 -3 2.50×10 -5 1.65×10 5
    观测器+滑模控制 4.80×10 -3 4.32×10 -8 1.66×10 5
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    表  5  2Hz、1000N余弦干扰力下跟踪0.5Hz、10mm正弦位置指令综合性能指标对比

    Table  5.   Comparison of comprehensive performance indexes of tracking 0.5Hz, 10mm sinusoidal position command under 2Hz, 1000N cosine disturbing force

    控制方法 IAPE/m IMSE/m 2 IMSC/(rad·s -1) 2
    PID控制 1.18×10 -2 6.14×10 -5 1.58×10 4
    滑模控制 1.40×10 -3 5.96×10 -7 4.74×10 3
    观测器+滑模控制 7.55×10 -5 3.83×10 -9 5.12×10 3
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出版历程
  • 收稿日期:  2019-07-29
  • 录用日期:  2019-09-12
  • 网络出版日期:  2020-06-20

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