电液位置伺服系统研究现状

电液位置伺服系统研究现状

张如兴

摘要当系统中被控制的物理量是位置量，同时检测反馈信号以及输入指令信号也是位置信号的由机构和液压元件组成的闭环控制系统。信号的传输是机械液压方式的，这一类系统称为机液位置伺服系统。机液伺服系统的优点是结构简单、工作可靠、抗污染能力强、造价低廉，因此广泛应用于航空、航天、舰船、工程机械、汽车、动力工程、机床控制、和农业机械等各个领域。机液伺服系统的缺点是机械连接件较多，因此不可避免饿带来了间隙、摩擦和刚度的影响。但是，由于它所具有的优点，应用的历史悠久，而且也广泛。

关键词位置伺服系统、伺服阀、应用范围

电液伺服位置系统在不断的进步中，越来越来得到广泛的应用。现在我就浅谈电液伺服位置系统得到一些应用和现状。

电液伺服阀是电液伺服控制系统的核心控制元件，其性能直接决定和制约着整个电液伺服控制系统的控制精度、响应特性、工作可靠性及寿命。随着航空、航天和军事工业对电液伺服系统性能要求的提高，民用工业对低成本、易维护、环保型电液伺服系统需求，传统电液伺服阀已不能满足要求。为提高伺服阀性能，国内外展开了以新型功能材料为基础的高频响、高精度电液伺服阀，以结构改进为基础的大流量、抗污染、低成本型电液伺服阀，以及以水作为介质的水压伺服阀的研究。

l新型功能材料在电液伺服阀中的应用

1．1超磁致伸缩材料

超磁致伸缩材料(GMM)的基本物理原理为磁致伸缩效应，即物体随磁化方向伸长或缩短的现象Ⅲ。此种材料做成的转换器具有输出力大、响应速度快、控制精度高等优点。

1．2压电材料／电致伸缩材料

压电材料(1rZT)和电致伸缩材料(PMN)部是电介质，在其极化方向上施加一定强度的电场．则会引起材料的机械变形．去掉电场后叉能恢复到原状态”。此种材料做成的转换器同样具有输出力大、响应速度快、控错精度高等优点．与GMM材料相比，研究成熟，价格低，但其需要较高的驱动电压。

1．3形状记忆台金

形状记忆台金(SMA)是指其宥一定初始形状的合盒在低温下经塑性形变并固定成另一种形变后，通过加热到某一l晦界温度以上叉可恢复成初始形状的一类合金此种材料做成的转换器体积小精度低，价格较低。

1．4磁流变流体

磁流变流体(MRF)属可控流体，由高磁导率、低磁滞性的微小软磁性颗粒和非导磁性液体混合而成的悬浮体。在外磁场作用下，表面黏度系数陡然增大两个数量级以上；当外加磁场增强时，会在一瞬间(0．1 s左右)变成类固体，失去流动性当撤销磁场后，材料立即恢复原状"。

国内哈尔滨工业大学利用MRF在外加磁场作用下，具有较大磁化强度的特点，提出了在力矩马达衔铁和铁芯的工作气隙中加入MRF，利用MRF来改善伺服阀动态性能的方法。实验表明，添加磁流变流体后消除了射流管伺服阀的自激震荡，但响应速度降低。

1．5电流变流体

电流变流体(ERF)，也是可控流体，它是用不导电的母液和均匀散布在其中的固体电介质颗粒所制成的悬浮体。在电场的作用下，电流变流体从流动性体转变为有一定剪切屈服应力的粘塑性体。这样的转变是迅速的(ms级)、电依赖的、可逆的利用电流变流体制成的伺服阀与传统的伺服阀和比例阀相比具有响应快、精度高、能耗低、稳定性好等优点。

2 电液位置伺服系统数学模型

电液位置伺服系统的一般性问题可描述为反馈经由控制器G(s)得到控制输出u，控制系统D(s)在外干扰Td作用下的位置输出跟随位置指令,此时系统有力矩Tm的输出，系统模型为一个2×2的矩阵。系统模型及控制器如图l所示

图l系统模型及控制器

假设系统模型矩阵可逆，则上述关系如式(1) 所示

式中，A1、A2表征了位置系统开环模型，L1(s)、L2(s)为外干扰对系统输出的影响。位置输出及力矩输出表征系统与外干扰之间的接口关系，Td为未知外负载干扰。

逆控制一般的控制结构如图2所示

图2 自适应逆控制的一般结构

3自抗扰控制器的设计

自抗扰控制器利用非线性跟踪微分器安排合理过度过程并基于广义微分理论提取微分信号；利用扩张状态观测器估计对象的不确定性、未建模动态和外界干扰；利用非线性反馈控制律配置非线性结构，给出控制信号。自抗扰控制器通过非线性前馈补偿，实现了动态系统的反馈线性化，提高了抑制误差信号的能力。自抗扰控制器的原理框图如图2所示。图中F(t)为系统输入，Y(t)为系统输出。

图3自抗扰控制器的原理框

3．1非线性跟踪微分器

非线性跟踪微分器的作用是对给定的输入信号安排系统的过度过程，并提取参考输入信号及微分信号。微分器的算法过于复杂，在这里就不在写出。

3．2扩张状态观测器

扩张状态观测器是自控干扰器的核心，其作用是利用系统输出估计受外界未知干扰的作用的非线性不确定的对象的扩张状态，实现反馈控制和扰动补偿。

3．3非线性状态误差反馈控制律

与常规PID控制器用误差的线性组合计算控量的方法不同，自抗扰控制器采用更加灵活、效果更好的误差非线性组合计算控制量

3．4扰动补偿控制输出

扩张状态观测器ESO获得未知扰动的实时作用量后。可以实现扰动补偿。

4仿真实验

在实际应用中。白抗扰控制参数整定的好坏直接影响到控制系统的性能，经过分析，参数的整定应遵循一定的原则和规律。速度因子可根据二阶非线性跟踪微分器的频率特性和跟踪信号以及系统控制时响应时间要求来选择；因为非线性参数的微小变动将会极大地影响其它参数的整定，因此，一般不轻易改变，其初值的设定可参考文献【1】；滤波因子影响自抗扰控制的非线性性能，滤波因子太大，自抗扰控制可能仅工作在线性区，如果太小，容易出现颤振现象，其值与被控量的量程及控制精度有关；控制量增益b 是与被控对象相关的参数，但是其值的选取不需要非常的精确。本文计算b的值；误差校正增益届、方法，通过补偿矩阵极点来配置；误差增益届一和微分增益届：的整定同PD控制中的P、D整定，相当于PD控制器控制一个“积分串联型”的对象。

图4基于ADRC的阶跃响应曲线

图5基于PID控制得阶跃响应曲线

图4是基于自抗扰控制时的阶跃响应曲线。图5是基于PID

控制时的阶跃响应曲线。比较可知，利用自抗扰控制器控制时阶

跃响应无超调，较好地解决了响应快速性与超调之间的矛盾，并通

过对未知扰动的估计和补偿有效地抑制了扰动。