電液位置伺服系統的反饋線性化滑模控制研究

閔磊 張洪信 趙清海 方磊 杜善霄

摘要： ?針對電液位置伺服系統中存在的各種非線性因素和外界干擾不確定性等問題，提出了一種將反饋線性化理論與滑模變結構理論相結合的控制策略，建立了電液位置伺服系統的非線性數學模型，并采用反饋線性化理論對該系統中的非線性因素精確線性化，同時利用滑模變結構理論對系統中的外界干擾不確定性進行補償。在Matlab/Simulink環境中，搭建某電液位置伺服控制系統模型，對提出的控制算法進行仿真驗證。仿真結果表明，該控制算法相對傳統比例積分微分（proportion integration differentiation，PID）控制算法位移跟蹤誤差縮小了9938%，相對滑模控制算法位移跟蹤誤差縮小了9877%，而且還消除了滑模控制的抖振問題，說明該控制算法有效改善了系統的位置跟蹤品質，提高了系統的魯棒性，并且削弱了系統抖振。該研究有效抑制了電液位置伺服控制系統的各種因素對位置跟蹤精度的影響，提高了系統的控制精度。

關鍵詞： ?電液位置伺服系統; 反饋線性化理論; 滑模變結構理論; PID; 位移跟蹤

中圖分類號： TP271.31 ?文獻標識碼： A

電液位置伺服系統具有功率密度大、承載能力強和控制精度高等優點，因此被廣泛應用于航空航天、船舶、汽車工業等領域[14]。但電液位置伺服系統本身存在著強非線性和外界干擾不確定性等因素，導致系統的控制性能降低[56]。隨著工業化的發展，人們對于電液位置伺服系統控制性能的要求越來越高，許多專家學者都將非線性的控制方法引入其中，如反饋線性化、滑模控制、魯棒控制、反演控制和神經網絡控制等，在前面這些控制方法中，反饋線性化由于具有設計方法簡單，控制精度高等優點而受到廣泛重視[718]。反饋線性化方法就是將一個非線性系統線性化成一個線性系統，然后利用成熟的線性控制方法來達到更好的控制效果，近年來此法已被較多的研究與應用[19]。楊軍宏等人[20]構建了由閥控非對稱缸組成的非線性系統數學模型，利用反饋線性化理論將其線性化，并對系統的零動態穩定性進行了分析，但線性化后的系統沒有進行控制算法設計;郭洪波等人[2124]分別運用非線性控制理論、滑模控制理論和最優控制理論，設計了閥控非對稱缸（或者閥控對稱缸）系統的控制策略，仿真結果證實考慮了系統的非線性因素，然后利用具有較強魯棒性的控制算法能夠提高系統的控制性能。因此，本文以閥控對稱缸為主要研究對象，構建了電液位置伺服系統的非線性數學模型，針對該系統中的非線性因素采用反饋線性化理論將其精確線性化，然后利用魯棒性較強的滑模變結構控制算法來提高系統控制精度，最后將這種反饋線性化滑模控制算法與傳統PID控制算法和滑模控制算法分別進行對比，驗證了該方法的有效性。說明該控制方法有效改善了系統的位置跟蹤品質，提高了系統的魯棒性，并且削弱了系統抖振。

1 電液位置伺服系統的非線性數學建模

電液位置伺服系統采用閥控對稱缸的液壓執行機構，它是由零開口四邊滑閥和對稱液壓缸組成。圖中，A為液壓缸活塞有效作用面積，m2;x為液壓缸活塞桿位移，m;m為等效負載質量，kg;K為等效負載剛度，（N·m-1）;B為等效負載阻尼，（N·s·m-1）;F為作用在液壓桿的外負載力，N;xv為伺服閥閥芯位移，m;pL為液壓缸負載壓力，Pa;pL=pS-p0，pS為供油壓力，Pa;p0為回油壓力，Pa;取p0=0。電液位置伺

5 結束語

本文建立了電液位置伺服控制系統模型，提出了一種反饋線性化滑模控制算法，并在Matlab/Simulink中進行仿真分析。仿真結果表明，該控制算法與傳統PID控制算法相比，位移跟蹤誤差縮小了9938%，相對滑模控制算法位移跟蹤誤差縮小了9877%，而且還消除了滑模控制的抖振問題，說明該控制方法有效改善了系統的位置跟蹤品質，提高了系統的魯棒性，并且削弱了系統抖振，有效抑制了電液位置伺服控制系統各種因素對位置跟蹤精度的影響，提高了系統的控制精度。該研究具有廣闊的應用前景。

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