液壓缸的精確定位控制通常采用伺服閥,比例閥或者高速開關(guān)閥作為控制元件,這類系統(tǒng)的長期運行存在成本與可靠性等問題。使用電磁換向閥作為控制元件進(jìn)行液壓缸的精確定位控制能夠降低系統(tǒng)成本,增加系統(tǒng)長期運行的可靠性。但當(dāng)前對于以電磁換向閥作為主控元件的液壓缸控制方法的研究稀缺,對該類系統(tǒng)控制時需要解決的問題及控制可行性也缺少系統(tǒng)性分析。鑒于上述特點,本論文將對基于電磁換向閥的液壓缸精確定位控制系統(tǒng)展開全面深入研究。使用電磁換向閥作為控制元件后,液壓缸控制系統(tǒng)的控制輸入發(fā)生很大變化,不但在控制輸入上增加了額外約束,而且此前已被解決的液壓控制問題在控制輸入的約束下再次出現(xiàn)。已有的液壓缸位置控制方法并不適用與當(dāng)前系統(tǒng),需要對該系統(tǒng)進(jìn)行深入徹底的分析,設(shè)計合適的控制方法。本論文的總體研究思路概括為以下三步。第一步為系統(tǒng)特性分析:旨在對系統(tǒng)元件特性進(jìn)行建模分析,指出由于元件不理想特性導(dǎo)致的兩類特殊控制問題(具體為輸入約束問題以及模型非線性、不確定問題),并將控制問題以數(shù)學(xué)形式描述,為此后的控制方法設(shè)計做好鋪墊。第二步為基本控制結(jié)構(gòu)設(shè)計:針對控制問題的數(shù)學(xué)表述,推導(dǎo)基于預(yù)測反饋的切換控制律,并基于此設(shè)計基本控制器實現(xiàn)結(jié)構(gòu),將控制律計算中包含的多個算法模塊進(jìn)行合理劃分以便于獨立實現(xiàn)。第三步基于上述結(jié)構(gòu)實現(xiàn)每個模塊的具體算法給出完整控制算法實現(xiàn)方案:首先針對要求算實現(xiàn)復(fù)雜度低的場合,設(shè)計了一種簡單有效的算法實現(xiàn)方案;然后針對第一種方案的不足,設(shè)計了一種控制效果更優(yōu)的算法實現(xiàn)方案,該方案中由于涉及到系統(tǒng)預(yù)測模型的辨識,因此還預(yù)先對液壓系統(tǒng)的準(zhǔn)確辨識方法進(jìn)行了研究。論文通過六章內(nèi)容對上述思路進(jìn)行闡述,每章內(nèi)容摘要如下:第一章首先對已有液壓缸定位控制方案及特點進(jìn)行了整理分類,指出基于電磁換向閥的液壓缸精確定位控制方法的研究意義。然后指出所研究系統(tǒng)存在控制輸入約束,以及系統(tǒng)動態(tài)模型非線性、不確定問題。繼而通過對已有液壓缸定位控制方法的分析總結(jié),指出當(dāng)上述問題同時存在時已有控制方法無法使用,需要基于預(yù)測反饋的方法進(jìn)行定位控制。在此基礎(chǔ)上進(jìn)一步對已有的預(yù)測控制方法進(jìn)行了分析,指出已有預(yù)測控制方法仍然無法直接對當(dāng)前系統(tǒng)使用,需要針對當(dāng)前系統(tǒng)特性,重新對預(yù)測控制的控制量求解以及準(zhǔn)確預(yù)測方法進(jìn)行研究。第二章對研究系統(tǒng)的元件進(jìn)行建模及特性分析。首先通過對電磁換向閥的仿真建模及實物測試,指出電磁換向閥不理想輸入-輸出特性導(dǎo)致的控制問題及具體的數(shù)學(xué)表達(dá)形式。然后通過理論模型與實物測試對液壓缸摩擦力特性進(jìn)行分析,驗證實際液壓缸摩擦力存在非線性及模型不確定特性。最后對當(dāng)前系統(tǒng)的液壓缸容腔壓力動態(tài)進(jìn)行分析,闡述當(dāng)前系統(tǒng)油液等效彈性模量會隨壓力明顯變化的特性,指出容腔壓力同樣具有強非線性,且具有更大的模型不確定性。第三章基于數(shù)學(xué)模型推導(dǎo)控制律,設(shè)計基本控制器結(jié)構(gòu),最后基于該結(jié)構(gòu)給出一種實現(xiàn)復(fù)雜度較低的算法實現(xiàn)方案。首先,提出一種“回溯”控制律推導(dǎo)方法,推導(dǎo)得到能夠在輸入約束及延時特性下實現(xiàn)穩(wěn)定準(zhǔn)確定位控制的切換控制律。該切換控制律在計算使需要通過邏輯判斷、狀態(tài)預(yù)測、函數(shù)模型學(xué)習(xí)等多個不同算法模塊實現(xiàn)。因此設(shè)計基于狀態(tài)機模型的基本控制器結(jié)構(gòu),一方面對算法模塊進(jìn)行明確劃分,另一方面能在控制中按合理順序?qū)Ω髂K進(jìn)行調(diào)用,保證控制算法實時運行。然后在上述基本控制器結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上,搭配提出的簡化預(yù)測算法,給出完整控制器的簡化實現(xiàn)方案。通過實驗證明簡化方案能夠?qū)崿F(xiàn)穩(wěn)定準(zhǔn)確的定位控制,并且具有較強的自適應(yīng)能力。最后總結(jié)簡化方案的特點,指出為進(jìn)一步提高控制效果需要實現(xiàn)非穩(wěn)態(tài)狀態(tài)下的狀態(tài)預(yù)測。為了實現(xiàn)上述狀態(tài)預(yù)測器、實現(xiàn)更好的定位控制效果,第四章先對液壓系統(tǒng)準(zhǔn)確辨識建模及仿真方法的展開研究。首先研究液壓缸速度動態(tài)模型的準(zhǔn)確辨識,明確指出實際辨識中存在三類干擾問題,會造成巨大的辨識誤差。本論文將隨機采樣一致(Random Sample Consensus,RANSAC)算法有效遷移應(yīng)用至液壓系統(tǒng)辨識中,有效篩除異常干擾數(shù)據(jù)對估計的影響,辨識精度相對傳統(tǒng)方法有著巨大提升。然后對RANSAC篩選出的有效數(shù)據(jù)使用總體最小二乘方法進(jìn)行參數(shù)估計,降低自變量上隨機噪聲導(dǎo)致的估計偏差,進(jìn)一步提高模型參數(shù)的辨識精度。然后還研究了考慮等效彈性模量變化特性的容腔壓力動態(tài)模型辨識,以及油源壓力動態(tài)模型辨識。最后整合上述三部分辨識結(jié)果,建立整體系統(tǒng)的仿真預(yù)測模型,并根據(jù)仿真結(jié)果與實際狀態(tài)之間的誤差,采用非線性優(yōu)化方法對模型參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化,使得該模型能夠進(jìn)行更加準(zhǔn)確的位置、速度預(yù)測。該預(yù)測模型的建立為此后的控制效果優(yōu)化打下基礎(chǔ)。第五章給出控制算法的一般實現(xiàn)方案。首先基于上一章的預(yù)測模型,實現(xiàn)控制所需的、能夠在非穩(wěn)態(tài)下進(jìn)行預(yù)測的狀態(tài)預(yù)測器。并根據(jù)目標(biāo)時刻狀態(tài)的預(yù)測誤差,對狀態(tài)預(yù)測器中的參數(shù)進(jìn)一步優(yōu)化,提高目標(biāo)時刻狀態(tài)的預(yù)測精度。然后基于該狀態(tài)預(yù)測器給出控制算法的一般實現(xiàn)方案,改善了簡化控制方案的單次定位所需時間較長、調(diào)整過程不夠優(yōu)化的問題。通過實驗驗證該方案能夠?qū)崿F(xiàn)準(zhǔn)確穩(wěn)定定位,且完成控制所需的最短時間更小,過程更加優(yōu)化。第六章對本論文的研究工作及創(chuàng)新點進(jìn)行總結(jié),并對基于電磁換向閥的液壓缸定位控制的后續(xù)研究方向進(jìn)行展望。
【學(xué)位單位】：浙江大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位年份】：2019
【中圖分類】：TP273;TH137.51
【部分圖文】：

字信號輸出板卡，型號分別為ＡＤＬＩＮＫ－ＤＡＱ２２０６與研華ＰＣ１－１７３４。工控機搭載ｉｎｔｅｌｉ７處逡逑理器�？刂扑惴ㄍㄟ^Ｃ＋＋實現(xiàn)，算法程序運行環(huán)境為Ｗｉｎｄｏｗｓ邋７。逡逑圖２－２實驗平臺實物圖逡逑２．３電磁換向閥建模、特性測試及分析逡逑電磁換向閥作為系統(tǒng)的控制元件，是影響控制器設(shè)計的主要因素，也是當(dāng)前系統(tǒng)與已逡逑１３逡逑

邐Ｐｓ邋￣邐｜溢流閥逡逑圖２－１電磁換向閥液壓缸定位控制實驗系統(tǒng)回路結(jié)構(gòu)圖逡逑最后介紹控制器硬件。實驗系統(tǒng)采用工控機搭配Ｉ／Ｏ板卡的方案實現(xiàn)控制信號反饋檢逡逑測與控制指令計算、輸出。所使用的Ｉ／Ｏ板卡包括一塊１６位模擬信號采集板卡以及一塊數(shù)逡逑字信號輸出板卡，型號分別為ＡＤＬＩＮＫ－ＤＡＱ２２０６與研華ＰＣ１－１７３４。工控機搭載ｉｎｔｅｌｉ７處逡逑理器�？刂扑惴ㄍㄟ^Ｃ＋＋實現(xiàn)，算法程序運行環(huán)境為Ｗｉｎｄｏｗｓ邋７。逡逑圖２－２實驗平臺實物圖逡逑２．３電磁換向閥建模、特性測試及分析逡逑電磁換向閥作為系統(tǒng)的控制元件，是影響控制器設(shè)計的主要因素，也是當(dāng)前系統(tǒng)與已逡逑１３逡逑

進(jìn)行特性的仿真測試；然后通過實物測試進(jìn)一步驗證確認(rèn)；最后得出結(jié)論分析。逡逑２．邋３．邋１電磁換向閥數(shù)學(xué)模型逡逑典型三位四通電磁換向閥的結(jié)構(gòu)如圖２－３所示。該閥主要由兩個開關(guān)電磁鐵推動閥芯逡逑運動來實現(xiàn)電－機械轉(zhuǎn)換。再由閥芯及閥體實現(xiàn)機械－液壓輸入的轉(zhuǎn)換，對液壓缸產(chǎn)生對應(yīng)的逡逑液壓輸入。對該閥的特性分析所需建立的模型包含：開關(guān)電磁鐵的電磁動力學(xué)模型，以及逡逑閥芯的機械動力學(xué)模型。逡逑電磁鐵１邋復(fù)位彈簧邐閥芯邋閥體邐電磁鐵２逡逑＼邋＼邋＼邐＾ｎ邋／逡逑＼邋＼邋＼邋＼邋／逡逑＾逡逑圖２－３Ｙ型中位的三位四通電磁換向閥座閥結(jié)構(gòu)圖逡逑典型開關(guān)電磁鐵可用圖２－４邋（ａ）中的簡化結(jié)構(gòu)進(jìn)行表示，其主要元件包括線圈，銜鐵逡逑及推桿，導(dǎo)磁殼體。銜鐵的前后與殼體之間分別存在氣隙，氣隙在水平方向上的面積表示逡逑為p骸Ｇ昂篤洞笮∮胂翁恢孟喙�。诊勪Zㄒ逑翁恢夢閌�，左边气蟽訾洱x埽咦鑠義洗螅扔諳翁碩諧痰畢翁恢夢郵�，左边气蟽訾度为零，右边气蟽訾度为５。辶x系紓盤呷ι系綰蠼詰绱盤誆坎懦』羋罰聳敝鞔怕返拇鷗邢呷繽賈行橄咚義鮮盡Ｓ捎諳翁氳即趴翹逵篩嘰諾悸實牟牧現(xiàn)瞥

本文編號：2812317