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                    上海潤衡淺談液壓系統控制的特點及應用前景

                    作者:上海潤衡   文章來源:上海潤衡   時間:2017-06-29

                    液壓控制中由于存在時間滯后性等特點,系統本身受到外界的影響較大,給液壓系統的控制增加了很多困難。隨著控制理論的不斷發展.對魯棒控制和預測控制的研究及應用不但具有重要的理論價值,而且具有非常重要的工程意義。

                    1、液壓系統控制的特點:

                    液壓傳動與控制是研究以有壓液體為能源介質實現各種機械的傳動與控制的學科。通常是以液壓油或其他合成液體作為工作介質,并采用各種元件組成所需要的控制回路,再由若干回路有機組合成能完成各種控制功能的傳動系統進行能量的轉換、傳遞與控制。

                    液壓控制系統響應速度高,由于液壓控制系統的壓力可以很高,因而執行機構的尺寸小、質量也小;由于液體壓縮性小、液壓彈簧剛度高,因此液壓諧振頻率可以很高。這便是大功率下液壓控制系統的動態響應比電氣控制系統高得多的原因。

                    但是在液壓控制中由于系統本身的受到外界的影響較大,因此描述系統的準確模型較為困難,一些文獻對此進行了系統辨識以獲取較為準確的系統模型,但是,由于外界干擾的情況引起的系統參數的變動,系統的模型仍然不能準確的得到,給液壓系統的控制增加了很多困難。在液壓控制系統的設計中,一般外界負載都被引入到系統的控制傳遞函數中,而外界負載的變化一般沒有規律可尋,從嚴格意義上說,系統是屬于隨動系統,因此實際設計控制器時需要對外界負載干擾采取具體控制方法處理。液壓系統的滯后性使得其整個控制系統的設計增加了難度,必須采用一些先進的控制方法來處理。

                    2、魯棒控制在液壓系統的研究及應用

                    系統魯棒性的研究,最早可追溯到上個世紀許多學者在微分方程解對參數的連續依賴性方面的工作。1972年,“魯棒控制”一詞首次出現,人們開始處理多輸入多輸出(MIMO)系統的控制器綜合問題,由此開創了現代魯棒控制的新時期,特別是由于控制理論界的推動,形成了從上世紀八十年代至今不衰的魯棒分析與魯棒控制研究熱。

                    我們知道,實際系統總是不可避免地受到這樣或那樣一些不確定因素的影響,另外,系統在運行過程中,由于工作環境的變化、位置的變遷、元件的老化等都會對系統的性能有著不同程度的影響。如果把所有的不確定因素視為繞動,所謂的魯棒性就是系統的某一品質或者說某種性能在受有擾動后仍然能保持下變的性質.而魯棒控制就是設計一個控制器使得系統具有魯棒性,魯棒控制是一項非常有實際意義的研究課題。

                    近二十年來,隨著控制理論的深人發展.許多控制方法諸如微分幾何方法、H∞摻制、變結構控制、自適應控制、奇異攝動理論、迭代學習控制等在魯棒控制的研究中得到了較為成功的應用,特別是近年來出現的“Backstepping”方法和“Recursive_Interlacing方法、LMI方法等等,目前魯棒控制已形成了一個方法多樣、成果豐碩、內容廣泛的格局,許多成果己在實際中得到了廣泛應用.然而,對于非線性系統,由于問題本身的復雜性,其研究還只能算是初步的,大量的問題還有待進一步深入探討。幾種方法的結合可能會為非線性魯棒控制的研究開辟新的方向。

                    液壓系統通過系統辨識或實驗測量等方法可以得到系統的模型,并可以獲得系統的各個參數的具體數值。而當系統在環境和工況等各種因素發生變化時參數就會發生變化。這里引入魯棒控制中的概念,稱系統的真實模型為標稱模型。

                    對于液壓系統,可以給定一個標稱模型(圖1),G表示傳遞函數,K表示已知參數,把所有的外界干擾看作為△,對于△的性能可以根據實際情況來處理,而對于△的研究越深入,魯棒性能就越容易實現,魯棒的保守性就越小。

                    總之,魯棒控制的研究趨勢就是尋找保守性小,且易于驗證的判據,探求易于實現,便于設計的魯棒控制方案、由于魯棒控制在實際系統中的廣泛實用性,其研究不但具有重要的理論價值,而且具有非常重要的工程意義。

                    3、預測控制在液壓系統的研究及應用

                    預測控制(MPC或MBPC)是二十世紀七十年代后期提出的一類新型計算機控制算法, 近十余年來取得了越來越多的成功應用。預測控制是一種基于模型的控制算法,這一模型稱為預測模型。預測模型的功能是根據對象的歷史信息和未來輸入預測其未來輸出。預測控制汲取了現代控制理論中的優化思想,利用預測模型和滾動優化并結合反饋校正,取代了傳統的最優控制,這種控制策略非常適用于難以用精確數學模型描述的復雜工業過程,由于這類模型強調的是因果關系,對模型形式要求比較寬松,且這種模型不要求對模型結構有先驗知識,加之在工業過程中用測試方法比較容易得到,所以受到了廣大應用工作者的歡迎,吸引了控制領域理論研究者的高度關注。

                    預測控制理論的控制策略可以分為三個步驟:模型預測、滾動優化和反饋校正。預測控制是一種優化控制和閉環控制算法,它是通過某一性能指標的最優來確定未來的控制作用的,這一性能指標涉及到系統未來的行為。在通過優化確定了一系列未來的控制作用后,為了防止模型失配或環境干擾引起控制對理想狀態的偏離,預測控制通常不是把這些控制作用逐一全部實施,而只是實現本時刻的控制作用。到下一采樣時刻,則首先檢測對象的實際輸出,并利用這一實時信息對基于模型的預測進行修正,然后再進行新的優化。

                    由于液壓系統的一些特征參數,如液壓阻尼比、液壓缸固有頻率以及外界負載干擾力等隨油溫、油壓等外界環境的改變將發生一定的變化,使液壓系統變為不確定性系統,尤其是液壓系統的時間滯后性使得控制系統不能及時有效的得到相應的控制輸出,在一些較為嚴重的情況下,系統呈現不穩定的現象。經典的控制方法大都需要一個精確的數學模型作為分析基礎,這個條件對于復雜的電液伺服系統來說是苛刻的。而預測控制理論對解決這類問題提供了有效的途徑。

                    總之,隨著理論研究的不斷深入,魯棒控制、預測控制等先進的控制技術將會在液壓系統控制中扮演重要的角色,對我國國民經濟的發展和工業自動化水平的提高起到積極的作用,具有重要的理論意義和工程應用價值。

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