电气液压复合调节容积式舵机的精确线性化控制.pdf

第4 0 卷第1 l 期机械工程学报 v 0 1 ．4 0N o1 l 2 0 0 4 年“月 C H I N E S EJ O U R N A LO FM E C H A N I C A LE N G I N E E R I N G N o u 2 0 04 电气液压复合调节容积式舵机的精确线性化控制4 李运华王占林 北京航空航天大学自动化学院北京l 0 0 0 8 3 摘要针对先进歼击机功率电传作动系统舵面控制的需求，提出了一种具有电气一液压复合调节容积式舵机的结 构方案，并讨论了这种舵机的操纵状态和工作特性。在此基础上，推导了描述舵机动态特性的非线性状态方程。 然后，采用非线性系统的几何控制理论，证明了系统满足精确线性化的条件，并给出了基于时间一误差性能指标 I T A E 最小的最优控制律，成功地解决了复合舵机控制系统存在的交联问题和相乘非线性问题。所提出的控制方 法奠定了电气一液压复合舵机非线性控制理论的基础。 关键词舵机电气伺服系统液压伺服系统非线性控制微分几何 中图分类号T H l 3 7 0 前言 随着战斗机在机动性、生存能力、能量利用性、 信息综合与自动化等方面要求的提高，对飞控系统 的关键部件舵机在功率传输及调节、通信及控制、 可靠性、能量利用、体积及重量等方面提出了越来 越高的要求。电动舵机虽然具有功率传输和控制综 合方便等优点，但在定位刚度 即伺服系统抵抗外负 载干扰的能力 、响应速度和功率质量比等方面相比 电液阀控舵机还有较大的差距；而另一方面电液阀 控舵机也存在着效率低、对油液污染敏感等不足之 处。因此将两者结合形成功率电传，电气一液压复 合调节的作动系统是非常有意义的。人们在比较了 功率电传作动系统可能实现的四个方案即电动机一 机械传动驱动舵面方案 E M A 、电液阀控舵机方案 E H v 、电动机一泵控作动方案 E P A 和电液容积复 合作动方案 E P C A 后发现，E P c A 可望成为大功率 电传作动系统的功率转换与执行部件。通过合理配 置余度并设计高性能的直接与总线接口的数字控制 器，E P c A 可能成为第四代和第五代战斗机的副翼 舵机。 参考文献[ 1 ] 对泵控舵机进行了原理描述和特 性分析。参考文献[ 2 ] 对电动机一定量泵电液舵机进 行了分析与仿真。参考文献[ 3 ～5 ] 给出了仿射非线性 系统精确线性化反馈控制的理论与设计方法。参考 文献[ 6 ，7 】将非线性系统几何控制理论引入液压伺服 控制领域，提出了液压伺服系统的非线性控制与非 线性优化设计理论与方法。参考文献[ 8 ，9 】进一步研 究了电液速度系统和单杆非对称缸伺服系统的非线 性控制方法。参考文献[ 1 0 】基于线性控制理论研究 了电机一定量泵电液舵机的控制策略。与电气舵机 和电液伺服舵机不同，电液复合调节容积式舵机存 在着电气通道与液压通道之间的交联问题和相乘非 线性问题，因此采用线性控制理论设计控制器难以 奏效。这里通过对舵机系统的特性分析，提出了基 于精确线性化的I T A E 最佳控制方法，奠定了电气 一液压复合舵机非线性控制理论的基础。 l 基本描述 电液复合调节容积式舵机如图1 所示。它由电 气伺服系统 一般是直流无刷电动机速度伺服系统 和泵控缸位置伺服系统复合而成。系统中，三个液 控阀的作用是对舵面产生锁定作用同时使变量泵处 于卸荷状态并在液压缸两腔之间的切断阀起旁通 液压缸两腔的作用，这些阀在余度控制时都要用到。 对于这种舵机，通过对电动机电枢和变量机构的电 液伺服阀的线圈施加合适的控制量做到舵机位置对 苎妻苎掣登荒苎；学助项目 9 7 E 5 1 0 0 2 。2 0 0 4 0 4 0 3 收到初稿， 图1电液复合调节容积式舵机 2 0 0 4 0 7 2 8 收到修改稿 ⋯一 。‘。 万方数据 机械工程学报第4 0 卷第1 1 期 指令位置的响应有满意的动态品质，同时使电动机m 。活塞e 疗质量 经常运行在额定转速附近。匮有效体积模量 2 电液复合调节舵机的数学模型 2 ．1 电动机的动态方程 电液复合调节舵机的电动机一般采用直流无刷 电动机或交流永磁同步电动机，通过P w M 调制、 矢量控制和变频驱动等措施可以转化为等效的直流 电动机调速系统。对于设有电流环的直流电动机伺 服系统，在电流环采用P I 调节且忽略粘性阻尼的条 件下，其动态方程为 厶西m K ／R 峨 f 一D p f 岛 f 1 式中D n 变量泵的排量 丘电动机的转矩系数 足电动机的等效电枢电阻 电动机的等效转动惯量 q 。电动机的角速度 风变量泵工作油腔之间的压差 2 ．2 变量泵的动态方程 电液复合调节舵机的变量泵为电液伺服变量 泵，其变量调节机构为一电液位置伺服系统。若忽 略变量泵的调节力矩、液压油的可压缩性和斜盘质 量对变量泵的动态特性的影响，变量泵的变量调节 机构的动态方程为 ‘D p r B f ≮“P f 2 式中 虬变量泵电液伺服变量机构的控制电压 疋变量泵的排量调节增益 一V _ 1 m d “ ￡变量泵的时间常数 2 ．3 变量泵一液压缸动力机构的动态方程 对于图l 所示的电液复合调节舵机，根据液压 控制理论，可以写出动力机构的动态方程为 J ‰D p c L p P K ／2 墨 岛 4 韩 { 所4 ％靠 k 蚱／，一万 ／r 3 k ％／r 一万 毛J I ，万 式中K 变量泵至液压缸的总容积【1 q C 液压动力机构的泄漏系数 以液压油的有效作用面积 k 一舵面铰轴的扭转刚度 女．舵面的气动力矩刚度 ，舵面的摇臂长度 K 液压缸活塞杆的输出位移 ，舵面的转动惯量 占舵面的摆动角度 如果‰和‘，甚小，并忽略液压油可压缩性的影 响，可将式 3 简化为 丸 ％耳 n m D p ／4 4 式中％ c L 屯k ／ t k 名，2 2 ．4电液复合调节舵机的动态方程 将式 1 、式 2 和式 4 联立，并选取状态变量 x 。 炸，屯 B ，而 ＆k ，可以得到被控对象的状态 方程为 1 而一％葺 石吐而 是 一1 ／矗 而 巧7r p “p 5 净瓮榭丧地 由式 5 可以看出，被控对象是具有两个控制输入％ 和‰且具有相乘非线性的仿射非线性动态系统。对 这类系统的控制，采用常规的线性系统理论难以奏 效。将式 5 与标准形式j ， x 詈 x u 比较 有 ， x M ，五，五] 1 [ 一％而 1 ／4 乇恐， 一1 ／％ 而，一 4 ％ “厶c L ■恐] 1 r001 譬 x [ ＆，9 2 ] ．1K7 f p o l o 墨／ R 厶 j “t “o“2 “l 3 非线性系统的几何控制理论 非线性系统的几何控制理论的基本思想是通 过施加非线性状态反馈使非线性系统精确线性化， 然后再采用线性系统理论对线性化后的系统进行分 析综合，最后通过逆变换求出非线性系统的控制量。 以下以两输入两输出仿射非线性系统为例，给出精 确线性化控制的设计方法及过程。 3 ．1 系统的关系度 系统的关系度棚k l a d v ed c g r e e 是系统从输入 一输出角度来看所具有的不变性。考虑两输入两输 出仿射非线性系统，即 x ， x 蜀 x 坼 ＆ x “2 M x 6 北 也 x 对每一个输出儿 鱼 x 有一个相应的关系度‘。系 统的关系度是一个集合，即， 伽，B 。下面给出系 万方数据 2 0 0 4 年1 1 月李运华等电气液压复合调节容积式舵机的精确线性化控制 统关系度的定义。 定义1对于如式 6 所描述的仿射非线性系 统，如果在x o 的邻域内，有以下条件成立，即 对于t ‘I 一1 有t ，哮啊 x o ，J 1 ，2 ；f _ l ，2 且 2 。2 维矩阵曰 柳I 毛喀一啊 ∞k 巧_ l 却I 是 I 乓，吩。1 也 x k 呼。如伍 j 非奇异的，则r 如，％} 为系统的关系度集合。 3 ．2 系统的精确线性化方法及设计过程 当系统的关系度， 一 n 时，可以通过施加 非线性坐标变换，使得非线性系统转化成可控标准 型。具体方法及设计过程由定理l 给出。 定理l 对于式f 6 所描述的仿射非线性系统， 如果在x o 的邻域内满足， ‘ H ，n 为状态向 量的维数，这时可选择坐标变换z 圣 x ，即 4 x ，z 0 啊 x ，⋯，o ． 印- 1 x ，1 、 z “ l 2 x 4 l 2 ￡， 2 x ，⋯，乙 巧。1 2 x 使系统转化为以下标准型，即 毛22 2 ，⋯’2 ，l 1 2 0 l j ． 叼 l x t ．z ≯1 l x №l 上g ，垮_ l l x “2 v 1 ‘ 8 2 r l “ 0 1 ．2 ’⋯，乙l 2 1 2 。 垮 l x t 。垮- 1 2 x M t ．毋“ 2 x “ 心 式中，前‘个方程和后％ H 一 个方程分别组成两 个可控的线性系统。采用线性系统控制理论 例如 L Q R 可以确定v 1 和也，然后由下式，即 卧∥c 柳【芝零捌 ∽ 确定原非线性系统的控制量。 3 ．3 精确线性化I T A E 最优控制 基于微分几何的精确线性化控制尽管将非线性 系统转化为线性系统的可控标准型，但确定线性系 统的最优控制量需要确定加权矩阵和求解复杂的 R i c c 撕方程，实际应用仍存在一定困难。为了克服 这个困难，将精确线性化与ⅡA E 最优控制结合， 构成精确线性化I T A E 最优控制。具体设计方法和 过程由定理2 给出。 定理2 对于式 6 所描述的仿射非线性系统， 如果在x o 的邻域内满足， ， n ，n 为状态向 量的维数，这时可选择坐标变换z 咖f x 将系统化 为可控标准型。如果选择如式 1 0 所确定的控制量 v 1 和v 2 ，则构成I T A E 精确线性化最优控制。 v 12 屏t 虬1 一届。- ⋯‘一羼刁 r 1 0 1 屹 房 证一羼乙⋯- 一届0 1 l 、’ 式中，妫。和y 。分别为系统的两个期望输出。当子 系统的阶次为3 阶或3 阶以下时式 1 0 中的系数屈 由下表给出。 表1 1 觚最优控制系数与性能指标 4 精确线性化I T A E 最优控制 4 ．1 控制问题的提法 对于由式 5 所描述的电液复合调节容积式舵 机，通过控制希望做到①当对系统施加一个期望位 置指令时，调节电动机和泵使得舵机对期望位置指令 有满意的阶跃响应。②当舵面气动力矩 这里为舵面气 动力矩刚度 发生突然变化时，通过调节能使电动机 转速和舵机位置基本保持不变。由于在过渡过程中， 不可避免地要引起电动机转速的变化，因此对电动 机的转速主动加以控制，使其始终维持在额定转速 的附近是十分必要的。以往采用s I s O 线性系统理 论，只能近似解决单独调节电动机 将泵的排量固定 为一定值 或单独调节泵的排量 将电动机的转速固 定为一定值，实际若不控制无法做到 时舵机的控制 问题。采用精确线性化控制，可以一举解决复合舵 机控制系统存在的交联问题和相乘非线性问题。 控制问题的提法是对于由式 5 所描述的电液复 合调节容积式舵机，通过非线性变换，将系统转化为 可控标准型，并按ⅡA E 性能指标确定最佳控制量。 4 ．2 精确线性化I T A E 最优控制律的设计 选择系统输出y I 1 x x l y 。，此 1 的 而一‰ ％一‰，这里‰为电动机的期望转 速。根据关系度的定义进行计算得 工r 如 x 【1 o o ] [ 一％工l 1 ／4 屯码， 一1 ／f p 屯， 一二竽而屯] 7 一＆b _ 1 ／4 屯屯 J m 乙L L r 2 x [ o o 1 】[ 一％x l 1 ／4 而而， 一17 『p J 2 ， 一盟五矗1 1 一盟置马 ‘，。c L ⋯J 。c L 一 1 1 万方数据 万方数据 2 0 0 4 年1 1 月李运华等电气液压复合调节容积式舵机的精确线性化控制 A b s t r a c t A i 面n ga tt h er e q u i r c m e n tO f 廿l ep i l o ts I l r f h c ec o n Ⅱ0 1 t i o nn o n 一1 i n e 鲥t ye x i s t c di n Ⅱ1 ea c n l a t o rc o n 廿0 1s y s t c ma r e s y s t e mw i mp o w e rb yw 订ef o r 血ea d v a n c e d 丘g b t ％al 【i n do fs u c c e s s i v e l ys o l v e d ．T h ec o n 廿o lm 劬o dp r o p o s e dh e r cf o u n d s 血cs 仃u c m r es c h e m eo fm ed i s p l a c e m c n t 叻eo fa c t l l a t o rw i t hn l en o n l i n e a rc o n 廿o lm e o r yf o rt l l ea c m 砷D rw i l he l e c 廿i c a l 锄d 血er e 孙o n a b l ee l e c 廿i c a l 釉dh y d r a m i ca d j u s 吐n gc o n n g u r a d o n h y d m u l 万方数据 电气液压复合调节容积式舵机的精确线性化控制电气液压复合调节容积式舵机的精确线性化控制 作者李运华， 王占林 作者单位北京航空航天大学自动化学院,北京,100083 刊名 机械工程学报 英文刊名CHINESE JOURNAL OF MECHANICAL ENGINEERING 年，卷期2004,4011 被引用次数6次 参考文献10条参考文献10条 1.YAOB Adaptive robust motion control of single-rod hydraulic actuators[外文期刊] 200001 2.JenY;Lee C Robust speed control of a pump-controlled motor system. IEEE Proc[外文期刊] 199206 3.李运华;史维祥;王孙安 液压伺服系统的非线性优化设计 199602 4.李运华;王占林;史维祥 液压伺服系统的非线性控制 199505 5.ChengD Global linearization of the nonlinear systems via feedback 198508 6.KhalilHK Nonlinear systems 2002 7.HabibiS Design of a new high-perance electro-hydraulic actuator[外文期刊] 200002 8.IsidoriA Nonlinear Control SystemsAn Introduction 1985 9.徐步力;付永领 一种新型作动系统[期刊论文]-机床与液压 200205 10.ThayerWJ Redundant electro-hydraulic servo actuator pumps 1987 引证文献6条引证文献6条 1.孙真和.王海英.贲放 基于PLC的电气-液压精确控制的研究[期刊论文]-自动化技术与应用 200912 2.杨欣 交流永磁同步电机的非线性控制研究[期刊论文]-自动化技术与应用 20098 3.郎燕.李运华 电液复合调节作动器的精确线性化建模与控制[期刊论文]-北京航空航天大学学报 20099 4.YU Yilong.LIU Changwen.YANG Yanxiang.WANG Shuang.ZHANG Junhong DESIGN AND ANALYSIS OF NOVEL ACTIVE ACTUATOR TO CONTROL LOW FREQUENCY VIBRATIONS OF SHAFT SYSTEM[期刊论文]-机械工程学报（英文版） 20086 5.刘海昌.姜继海 二次调节流量耦联系统精确线性化控制[期刊论文]-电机与控制学报 20086 6.郎燕.李运华 电液复合调节作动器的建模与AMESim仿真[期刊论文]-航空学报 2007z1 本文链接