[發(fā)明專利]一種油量執(zhí)行器系統(tǒng)建模與先進控制方法

有效

• 申請?zhí)枺?/td>: 201811356722.5
• 申請日: 2018-11-15
• 公開（公告）號: CN109407510B
• 公開（公告）日: 2021-07-02
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 李世華;孫昊;戴忱;楊俊;胡建沛;王旭明;潘婕
• 申請（專利權(quán)）人: 東南大學(xué)
• 主分類號: G05B13/04
• 分類號: G05B13/04
• 代理公司: 南京眾聯(lián)專利代理有限公司 32206
• 代理人: 周蔚然

1.一種油量執(zhí)行器系統(tǒng)建模與先進控制方法，其特征在于：包括以下步驟：

步驟一：建立油量執(zhí)行器的模型，以執(zhí)行器偏心球旋轉(zhuǎn)角度，角速度，驅(qū)動線圈電流為狀態(tài)變量，對復(fù)位彈簧，旋轉(zhuǎn)電磁鐵分別進行分析與建模，由此建立系統(tǒng)的狀態(tài)空間模型；

具體包括以下步驟：

首先通過建模得到復(fù)位彈簧轉(zhuǎn)矩T_sp和電磁轉(zhuǎn)矩T_e，

T_sp＝c₂θ²+c₁θ+c₀，T_e＝a₂i+a₁θ+a₀，

其中c₀、c₁、c₂、a₀、a₁和a₂均為常數(shù)，

結(jié)合線圈電流動態(tài)，給出如下的油量執(zhí)行器系統(tǒng)狀態(tài)方程，

其中θ為旋轉(zhuǎn)角、ω為角速度、J為旋轉(zhuǎn)電磁鐵的轉(zhuǎn)動慣量、d為集總擾動、i為旋轉(zhuǎn)電磁鐵線圈電流、V_in為電源電壓、μ為PWM波占空比、C_e為旋轉(zhuǎn)電磁鐵反電動勢常數(shù)、L和R分別為線圈電感和電阻，

由于旋轉(zhuǎn)電磁鐵的電流動態(tài)的時間常數(shù)相較于采樣周期較小，所以忽略電流動態(tài)；考慮將外部干擾和系統(tǒng)不確定性作為集總擾動并令x＝[x₁ x₂]^T＝[θ ω]^T，那么系統(tǒng)動態(tài)模型改寫為如下形式，

其中a₂₁＝(a₁-c₁)/J，a₂₂＝-a₂C_e/JR，c＝(a₀-c₀)/J，b＝a₂V_in/JR；

步驟二：對油量執(zhí)行器系統(tǒng)存在的集總擾動設(shè)計擴張狀態(tài)觀測器，同時對系統(tǒng)狀態(tài)和集總擾動進行估計；

具體包括以下步驟：

基于油量執(zhí)行器的數(shù)學(xué)模型，針對集總擾動d的擴張狀態(tài)觀測器設(shè)計為:

其中分別為x₁、x₂和d的估計值。p₁、p₂、p₃為觀測器增益；

步驟三：在已設(shè)計的擴張觀測器的基礎(chǔ)上，基于油量執(zhí)行器偏心球旋轉(zhuǎn)角度進行輸出控制，在考慮存在集總擾動的情況下設(shè)計基于擴張狀態(tài)觀測器的非線性模型預(yù)測控制器，以實現(xiàn)目標角度的快速、高精度跟蹤；

具體包括以下步驟：

首先，考慮油量執(zhí)行器系統(tǒng)模型，

y＝h(x),

其中B＝[0 b]^T、L＝[0 1]^T、h(x)＝x₁，

油量執(zhí)行器系統(tǒng)的代價函數(shù)定義為

其中為預(yù)測輸出，為預(yù)測的未來參考軌跡，T_P為預(yù)測周期；

用泰勒級數(shù)展開法預(yù)測滾動時域內(nèi)的未來輸出

其中r為控制階數(shù)，σ＝2為油量執(zhí)行器系統(tǒng)的相對階，其對應(yīng)的輸出各階導(dǎo)數(shù)表示為

對上式繼續(xù)對t求導(dǎo)可得

其中

相似地，得到輸出的各階導(dǎo)數(shù)

其中k＝2,...,r；

然后，給出了輸出y(t+τ)的近似如下

其中

同樣地，未來的參考信號表示為

其中

將未來的輸出信號和未來的參考信號代入代價函數(shù)可得，

其中

定義控制序列為令得到

由于非奇異，所以得到

上式的第一行表示為

其中K是矩陣的第一行且

基于擴張狀態(tài)觀測器的非線性模型預(yù)測控制律表示為

其中K＝[k₀,k₁,...,k_σ-1]為最優(yōu)控制增益且參數(shù)k_i(i＝0,...,σ-1)由預(yù)測周期T_P和控制階數(shù)r決定。