本申請涉及液壓伺服控制，特別是涉及一種針對閥控液壓伺服系統(tǒng)中伺服閥零偏問題的辨識與補償方法，旨在提高液壓位置閉環(huán)系統(tǒng)的控制精度和穩(wěn)定性。

背景技術(shù)：

1、液壓伺服系統(tǒng)，特別是閥控形式的液壓伺服系統(tǒng)具有功率密度高、動態(tài)響應(yīng)快等優(yōu)勢，被廣泛應(yīng)用于航空航天、機器人、材料成型機械等高端設(shè)備。然而，在閥控液壓伺服系統(tǒng)中，伺服閥所固有的壓力-流量非線性，以及存在于整個系統(tǒng)的參數(shù)不確定和不確定非線性，將會導致控制精度的嚴重降級。

2、針對零開口伺服閥流量系數(shù)不確定的問題，此處流量系數(shù)是指在空載條件下與伺服閥閥芯單位位移相對應(yīng)的流量。傳統(tǒng)上，流量系數(shù)可以理解為一個理想值，不過，由于在加工或安裝過程中的誤差，零開口伺服閥在出廠時總是存在一定的零偏。另外，隨著工作時間的增加，磨損和沖蝕也會導致伺服閥閥口由初始的銳角變成圓角，致使流量系數(shù)變成了一個未知的值。目前，將伺服閥的零偏直接忽略或者將其視為一種流量參數(shù)不確定進行自適應(yīng)估計是常見的處理方法。對于前者，現(xiàn)有閥控液壓伺服系統(tǒng)將伺服閥零偏作忽略處理，認為其足夠小，不足以對整個系統(tǒng)的正常工作造成本質(zhì)上的影響。事實上，對于一些長時間工作的液壓伺服設(shè)備，伺服閥零偏會隨著工作時間的增加而逐漸增大。目前，也還并還沒有研究指出零偏增大到何種程度會對整個系統(tǒng)的正常工作。因此，對于現(xiàn)有的液壓位置閉環(huán)系統(tǒng)非線性控制方法來說，當伺服閥零偏增大后，將其忽略顯然是不合理的。對于后者，由于參數(shù)估計的收斂速度和系統(tǒng)穩(wěn)定性之間存在固有的矛盾，很難同時滿足超調(diào)量和調(diào)節(jié)時間兩項指標，主要存在以下缺陷：

3、1.對于一些大功率的閥控液壓伺服系統(tǒng)來說，伺服閥額定流量較大，很小的零偏就將產(chǎn)生很大的流量偏差，若采用現(xiàn)有的方法，控制器需要調(diào)整的時間相對過長，進而造成綜合控制精度的降低。另外，將零偏作為流量參數(shù)不確定時，收斂速度并沒有一個設(shè)置準則，會給調(diào)試過程帶來極大的苦難；

4、2.將伺服閥零偏視為流量系數(shù)不確定、并增加該參數(shù)的自適應(yīng)速率在一定程度上可以幫助加快流量系數(shù)的收斂速度，能在一定程度達到提高控制精度的目的，不過這也大大增加了系統(tǒng)不穩(wěn)定的風險，并不值得推薦。另外，參數(shù)自適應(yīng)通常還需要滿足持續(xù)激勵的條件，也會限制其適用性；

5、3.除了在控制精度、系統(tǒng)穩(wěn)定性和需要持續(xù)激勵這三方面的不足外，現(xiàn)有的方法還可能面臨一定程度的安全隱患。對于一些閥控液壓伺服系統(tǒng)而言，由于零偏的存在，在系統(tǒng)還未進入閉環(huán)控制之前，就會有流量通過伺服閥流入執(zhí)行機構(gòu)，若未及時發(fā)現(xiàn)并處理，將造成執(zhí)行機構(gòu)內(nèi)的壓力升高，最高可以達到系統(tǒng)壓力的結(jié)果，具有潛在的安全隱患。

6、需要說明的是，公開于該背景技術(shù)部分的信息僅僅旨在加深對本發(fā)明總體背景技術(shù)的理解，而不應(yīng)當被視為承認或以任何形式暗示該信息構(gòu)成本領(lǐng)域技術(shù)人員所公知的現(xiàn)有技術(shù)。

技術(shù)實現(xiàn)思路

1、本發(fā)明的目的在于提供一種基于伺服閥零偏辨識補償?shù)囊簤何恢瞄]環(huán)系統(tǒng)非線性控制方法及其實現(xiàn)系統(tǒng)，該方法通過精確辨識伺服閥的零偏信號并將其引入控制律進行補償，從而提高系統(tǒng)的綜合控制精度和穩(wěn)定性，以克服現(xiàn)有技術(shù)的缺陷。

2、為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用以下技術(shù)方案：

3、第一方面，本申請?zhí)峁┗谒欧y零偏辨識補償?shù)囊簤何恢瞄]環(huán)系統(tǒng)非線性控制方法，包括以下步驟：

4、s1伺服閥零偏信號的辨識：采用pid控制方法采用對液壓位置閉環(huán)系統(tǒng)進行零位伺服控制，記錄此時的伺服閥控制輸入信號；根據(jù)零位控制精度判斷伺服閥零偏信號的準確性，若跟蹤誤差不大于預設(shè)的閾值，則記錄當前伺服閥控制輸入作為零偏信號；若跟蹤誤差小于閾值，則調(diào)整pid控制參數(shù)后重復s1，直至滿足精度要求；

5、s2基于模型的非線性控制設(shè)計：設(shè)計基于系統(tǒng)模型的非線性控制律，在控制律的推導過程中引入s1已辨識的伺服閥零偏信號作為前饋補償項，對控制輸入進行零偏補償，得到總控制輸入信號。

6、進一步的，所述s1的伺服閥零偏信號辨識具體包括以下步驟：

7、s11初始化階段：設(shè)置pid控制器的初始參數(shù)，包括比例系數(shù)kp、積分系數(shù)ki、微分系數(shù)kd和零偏辨識的預設(shè)閾值ε；

8、s12零位伺服控制：控制器向伺服閥發(fā)送控制信號，使液壓馬達嘗試跟蹤零位目標位置。在此過程中，控制器記錄伺服閥的控制輸入信號，并計算液壓馬達的實際位置與零位目標位置之間的跟蹤誤差e；

9、s13零偏信號辨識：若跟蹤誤差e不大于預設(shè)閾值ε，則認為當前伺服閥的控制輸入即為零偏信號，并保存該值；若跟蹤誤差e大于閾值ε，則根據(jù)預設(shè)的調(diào)參策略調(diào)整pid控制器的參數(shù)，并重復進行零位伺服控制和零偏信號辨識，直至滿足精度要求。

10、進一步的，步驟s13中，pid控制器的調(diào)參策略為試錯法，即根據(jù)誤差的大小來不斷修正pid的三個控制參數(shù)：比例系數(shù)kp、積分系數(shù)ki、微分系數(shù)kd，當跟蹤誤差e不大于閾值ε時，停止控制參數(shù)的調(diào)整，并記錄此時的控制參數(shù)。

11、進一步的，步驟s13中，所述pid控制參數(shù)的調(diào)整包括比例系數(shù)kp、積分系數(shù)ki、微分系數(shù)kd的調(diào)整。

12、進一步的，步驟s11中，所述預設(shè)的閾值ε根據(jù)系統(tǒng)精度要求和實際工況，且可動態(tài)調(diào)整。如果系統(tǒng)的控制精度要求較高，則將閾值ε設(shè)置的較??；如果系統(tǒng)的控制精度要求較低，可以將閾值ε設(shè)置的較大，以節(jié)約調(diào)整時間。

13、進一步的，步驟s2中，所述非線性控制律采用滑?？刂啤⒆赃m應(yīng)控制或魯棒控制等策略中的一種或多種的組合。

14、進一步的，還包括在系統(tǒng)啟動前或退出伺服控制后，根據(jù)辨識得到的伺服閥零偏信號給定一個零偏補償信號，以抑制系統(tǒng)流量通過伺服閥進入液壓執(zhí)行機構(gòu)的風險。

15、第二方面，本申請?zhí)峁┮环N液壓位置閉環(huán)系統(tǒng)，包括液壓動力源、伺服閥、液壓馬達、編碼器和控制器，其中，所述控制器采用上述第一方面的控制方法對所述液壓馬達進行位置閉環(huán)控制。

16、進一步的，所述控制器通過控制所述伺服閥的閥芯開口大小，調(diào)整從所述液壓動力源進入所述液壓馬達的供油流量，再借助所述編碼器來實時測量所述液壓馬達的角度，實現(xiàn)所述液壓馬達的位置閉環(huán)控制。

17、進一步的，還包括用于實時監(jiān)測伺服閥零偏信號變化的監(jiān)測裝置，以便及時調(diào)整補償策略。

18、本發(fā)明的有益效果在于：針對閥控液壓伺服系統(tǒng)，提出一種基于伺服閥零偏辨識補償?shù)目刂品椒?，可以適用于液壓位置閉環(huán)系統(tǒng)的伺服控制。該方法可以提高液壓位置閉環(huán)系統(tǒng)的綜合控制精度，特別是對于啟動瞬間的控制精度，具有顯著的提升效果。

技術(shù)特征：

1.基于伺服閥零偏辨識補償?shù)囊簤何恢瞄]環(huán)系統(tǒng)非線性控制方法，其特征在于，包括以下步驟：

2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的控制方法，其特征在于，所述s1的伺服閥零偏信號辨識具體包括以下步驟：

3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的控制方法，其特征在于，步驟s1中，所述pid控制參數(shù)的調(diào)整包括比例系數(shù)kp、積分系數(shù)ki和微分系數(shù)kd的調(diào)整。

4.根據(jù)權(quán)利要求2所述的控制方法，其特征在于，步驟s11中，所述預設(shè)的閾值ε的大小根據(jù)系統(tǒng)精度要求和實際工況設(shè)定，且可動態(tài)調(diào)整。

5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的控制方法，其特征在于，步驟s2中，所述非線性控制律采用滑?？刂啤⒆赃m應(yīng)控制或魯棒控制等策略中的一種或多種的組合。

6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的控制方法，其特征在于，還包括在系統(tǒng)啟動前或退出伺服控制后，根據(jù)辨識得到的伺服閥零偏信號給定一個零偏補償信號，以抑制系統(tǒng)流量通過伺服閥進入液壓執(zhí)行機構(gòu)的風險。

7.一種液壓位置閉環(huán)系統(tǒng)，其特征在于，包括液壓動力源、伺服閥、液壓馬達、編碼器和控制器，其中，所述控制器采用權(quán)利要求1-6中任一項所述的控制方法對所述液壓馬達進行位置閉環(huán)控制。

8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的系統(tǒng)，其特征在于，所述控制器通過控制所述伺服閥的閥芯開口大小，調(diào)整從所述液壓動力源進入所述液壓馬達的供油流量，再借助所述編碼器來實時測量所述液壓馬達的角度，實現(xiàn)所述液壓馬達的位置閉環(huán)控制。

9.根據(jù)權(quán)利要求7所述的系統(tǒng)，其特征在于，還包括用于實時監(jiān)測伺服閥零偏信號變化的監(jiān)測裝置，以便及時調(diào)整補償策略。

技術(shù)總結(jié)
本發(fā)明涉及基于伺服閥零偏辨識補償?shù)囊簤何恢瞄]環(huán)系統(tǒng)非線性控制方法及其實現(xiàn)系統(tǒng)。該控制方法包括以下步驟：S1采用PID控制方法對液壓位置閉環(huán)系統(tǒng)進行零位伺服控制，記錄此時的伺服閥控制輸入信號；S2根據(jù)零位控制精度判斷伺服閥零偏信號的準確性，若跟蹤誤差不大于預設(shè)的閾值，則記錄當前伺服閥控制輸入作為零偏信號；若跟蹤誤差小于閾值，則調(diào)整PID控制參數(shù)后重復S1，直至滿足精度要求；S3設(shè)計基于系統(tǒng)模型的非線性控制律，在控制律的推導過程中引入已辨識的伺服閥零偏信號作為前饋補償項，對控制輸入進行零偏補償，得到總控制輸入信號。本發(fā)明通過精確辨識伺服閥的零偏信號并將其引入控制律進行補償，從而提高系統(tǒng)的綜合控制精度和穩(wěn)定性。

技術(shù)研發(fā)人員：陳興華,劉曉超,高翔,盛友偉
受保護的技術(shù)使用者：北京航空航天大學寧波創(chuàng)新研究院
技術(shù)研發(fā)日：
技術(shù)公布日：2025/1/9