[發明專利]一種雙閥并聯的電液伺服系統及其控制方法

有效

• 申請號: 201811021119.1
• 申請日: 2018-09-03
• 公開（公告）號: CN110873083B
• 公開（公告）日: 2021-07-27
• 發明（設計）人: 蘇世杰;劉霞勇;唐文獻;陳赟;齊繼陽
• 申請（專利權）人: 江蘇科技大學
• 主分類號: F15B11/08
• 分類號: F15B11/08;F15B21/08
• 代理公司: 南京蘇高專利商標事務所(普通合伙) 32204
• 代理人: 梁耀文

1.一種基于雙閥并聯的電液伺服系統的控制方法，其特征在于，所述雙閥并聯的電液伺服系統，包括柱塞泵、三相電機、三位四通伺服電磁閥和三位四通比例電磁閥，所述三相電機與柱塞泵連接，柱塞泵的進油口與油箱連接；柱塞泵的出油口連接單向閥和回油濾油器；回油濾油器和溢流閥均設置在主回油管路上；所述三位四通伺服電磁閥和三位四通比例電磁閥連接，三位四通伺服電磁閥的一端與回油濾油器，三位四通伺服電磁閥的另一端與液壓缸連接，所述三位四通伺服電磁閥和三位四通比例電磁閥的信號端與控制電路模塊連接；

所述三位四通伺服電磁閥和三位四通比例電磁閥均設置有A出油口、B出油口、P進油口和T回油口，所述三位四通伺服電磁閥的P進油口管路與三位四通比例電磁閥的P進油口管路連通，并和回油濾油器的出油口相連接；三位四通伺服電磁閥的A出油口管路與三位四通比例電磁閥的A出油口管路連通，通過高壓軟管和液壓缸的無桿腔連接；三位四通伺服電磁閥的B出油口管路與三位四通比例電磁閥的B出油口管路連通，通過高壓軟管和液壓缸的有桿腔連接；三位四通伺服電磁閥的T回油口管路與三位四通比例電磁閥的T回油口管路連通，并與主回油管路相連接；

控制電路模塊包括位移傳感器、伺服閥電子放大器、比例閥電子放大器和運動控制卡，所述三位四通伺服電磁閥和三位四通比例電磁閥的信號端分別連接有伺服閥電子放大器和比例閥電子放大器；所述液壓缸的活塞桿與位移傳感器連接；所述位移傳感器、伺服閥電子放大器和位移閥傳感器的另一端均與控制卡連接；

基于雙閥并聯的電液伺服系統得到的控制方法包括如下步驟：

(1)通過參數定義模塊對雙閥并聯的電液伺服系統內的參數進行定義；

具體步驟如下：

(1.1)構建內環PID控制系統

分別設定控制閥的PID_j,j＝1,…,m的參數的K_P、K_i、K_d；設置控制閥的跟蹤的信號幅值選擇w_j,j＝1,…,m；

(1.2)單位階躍采樣

確定輸入數量為m，輸出數量為p；設定采樣周期t，建模時域N，對步驟(1.1)中控制的單閥PID_j系統分別做階躍響應采樣分析，獲取輸出u_j對應的輸出采樣值a_ij；

其中：a_ij＝[a_ij(1)…a_ij(N)]^T,i＝1,…,p；j＝1,…,m；

(1.3)構建矩陣A與

取優化時域P，控制時域M，并分別構建出動態矩陣A與階躍響應系數矩陣

其中：a_ij為步驟(1.2)中采樣獲得的模型向量；

(1.4)確定優化矩陣R、Q和運算矩陣H、C、S₀

設定復合控制算法中控制權矩陣R＝block-diag(R₁,…,R_m)

其中：R_j＝diag[r_j(1),...,r_j(M)],j＝1,…,m對應不同的控制輸入，R_j中的元素則對應對u_j在不同時刻增量的抑制；

設定誤差權矩陣參數調整為Q＝block-diag(Q₁,…,Q_p)

其中：Q_i＝diag[q_i(1),...,q_i(p)],i＝1,…,p對應不同的輸出，Q_i中的元素則對應于y_i在不同時刻的跟蹤誤差；

設定誤差校正矩陣

其中：令所有h_ij(i≠j)為零；為誤差校正向量，

設定QP求解系數矩陣

其中：B＝block-diag(B₀,…,B₀)(m塊)，A的取值見步驟(1.3)；

設定移位矩陣S₀＝block-diag(S,…,S)(p塊)

其中：為由矩陣分塊構成的對角矩陣；

(2)通過輸入輸出模塊對雙閥并聯的電液伺服系統輸入輸出條件進行約束；

具體步驟如下：

(2.1)設定執行器輸出對應的期望值

其中：中各分量表示控制輸入u_j各自在未來M個時刻的變化，使輸出y_i在未來P個時刻緊密跟蹤相應的期望值；

(2.2)設定系統的輸出約束為y_i,min、y_i,max,i＝1,…,p，輸入的約束為u_j,min、u_j,max,j＝1,…,m；

(3)通過初始化模塊對步驟(2)中的輸入輸出模塊中輸出的數值進行初始化；

具體步驟如下：

k時刻，位移傳感器檢測控制對象的實際輸出y_i(k),i＝1,…,p；

k時刻初始化，將y_i(k)設定為預測模型的初始值

其中：中各分量表示在k時刻全部控制量u₁,…,u_m保持不變時對y_i在未來P個時刻的初始輸出預測值；

(4)通過實時控制模塊對上述步驟(1)-步驟(3)所定義的參數及約束條件，確定控制方法的優化策略，滾動地求解最優控制輸入，并實施當前控制；同時通過檢測實時信息，修正并計算下一時刻的優化輸入，并在下一時刻將其作用于電液伺服系統的控制；實現模塊的實時控制功能。

2.根據權利要求1所述的基于一種雙閥并聯的電液伺服系統的控制方法，其特征在于：所述步驟(4)中通過實施控制模塊進行實時控制的具體步驟如下：

(4.1)優化變量求解

根據控制量與輸出量的約束條件，用二次規劃進行求解得到最優解Δu_M(k)；記x＝Δu_M(k)，H₁＝2(A^TQA+R)，其標準形式為：

s.t.Cx≤l

其中：

為最優全部控制增量，其各分量表示在k時刻起u_j依次有M個增量變化Δu_j(k),…,Δu_j(k+M-1),j＝1,…,m；

為約束矩陣，其

分別為m個輸入增量Δu_m,M(k)在控制時域M范圍內的最小值和最大值；其u_j(k-1),j＝1,…,m表示輸入u_j在K-1時刻的輸入值；

(4.2)在線計算控制量

在線通過u_j(k)＝u_j(k-1)+Δu_j(k),j＝1,…,m計算得到k時刻要實施的即時控制量u_j(K)；

其中：u_j(k)為k時刻的即時控制量；u_j(k-1)表示輸入u_j在K-1時刻的輸入值；Δu_j(k)為上述步驟(4.1)計算得到的k時刻的即時控制增量；

(4.3)PID控制

將步驟(4.2)中的即時控制量u_j(k)通過內環PID_j,j＝1,…,m控制得到并將控制后的輸入作用于控制閥上；

其中：PID_j,j＝1,…,m參數為步驟(1.1)中所設置；

(4.4)求出預測模型

在k時刻實時控制后，即可根據算出對象在未來時刻的各輸出值；

其中：

其中為y_i在未來P個時刻的預測值；

其中為y_i在未來P個時刻的初始預測值；

u_j(k),j＝1，…，m為k時刻的即時控制增量，為步驟(4.1)中計算所得；

(4.5)系統實時檢測

在k+1時刻進行優化計算之前，通過位移傳感器，檢測液壓缸的輸出位移y_i(k+1),i＝1,…,p，并將值賦給步驟(4.6)進行誤差計算；

(4.6)計算輸出誤差

在k+1時刻進行優化計算之前，將檢測值與預測值進行比較，得到這一時刻的誤差向量：

其中：e_i(k+1),i＝1,…,p為k+1時刻個輸出的誤差值；y_i(k+1),i＝1,…,p為步驟(4.5)在k+1時刻檢測到的液壓缸的輸出位移；為步驟(4.4)在k時刻計算得到的k+1時刻的預測值；

(4.7)預測值校正

通過誤差向量值，對系統輸出的預測值進行在線修正，得到修正后對于系統輸出的預測值：

其中：為矯正后的系統輸出預測；為步驟(4.4)中求出的系統輸出預測值；H為參數定義模塊中步驟(1.3)定義的誤差校正矩陣；

(4.8)預測值前移，并設置該時刻初值

在預測值校正后，系統則已經處于k+1時刻，所以需要對校正后的預測值向前推移，使其達到k+1時刻；進行推移計算

其中：為k+1時刻修正后的預測輸出；S₀見步驟(1.4)中所定義；為步驟(4.7)中矯正后的系統輸出預測；

(4.9)循環：循環實時控制模塊；

令并將賦值給步驟(4.1),實現對實時控制模塊的在線循環；

其中：為k時刻的初始預測值；為步驟(4.8)中計算出的K+1時刻經移位矩陣后的初始預測值。