雙級式直接驅動作動器的非線性建模方法
【專利摘要】本發明公開了一種雙級式直接驅動作動器的非線性建模方法，屬于電液伺服控制領域，該方法包括以下步驟：建立液壓系統以及摩擦的非線性模型；建立電機動態以及磁滯、約束、死區的非線性模型；基于建立的液壓系統以及電機動態的非線性模型，建立整個雙級式直接驅動作動器的非線性模型。本發明充分考慮了系統內的所有非線性模型，并對其一一建模，最終將整個系統用一個狀態方程表示，為以后在直接驅動作動器相關方面的理論研究與工程實踐提供了堅實的依據。
【專利說明】
雙級式直接驅動作動器的非線性建模方法
技術領域
[0001] 本發明屬于電液伺服控制領域，特別是一種雙級式直接驅動作動器的非線性建模 方法。
【背景技術】
[0002] 液壓作動器伺服控制系統是飛行控制系統實現飛行器飛行姿態的關鍵因素之一， 其性能影響著飛行器的整體性能，例如機動性，可靠性，生存性等等。基于直接驅動作動器 (DDA)的伺服控制已經應用在了多種先進的飛行器上，譬如？-18^-22,8-2。作為先進飛行 器的特征之一，超音速巡航要求伺服作動器能提供巨大的鉸力矩，同時，先進飛行器正朝著 更高的機動性，更高的集成度以及多冗余度的方向發展。
[0003] 然而，許多關于直接驅動作動器的分析方法是基于線性方程式的，事實上，液壓系 統的動態過程是高度非線性的，并且液壓系統內大量的非線性特征會使高性能閉環控制器 的設計變得復雜。其次，由于閥開口的方向性改變，控制輸入飽和，閥重疊和摩擦等，系統會 遭受不連續和不光滑的非線性因素的干擾。除了上述的非線性，液壓系統還存在著大量的 模型不確定性，包括參數不確定和不確定非線性。另外，為了使得建模更加準確，直驅閥內 電機的非線性也應該考慮。
[0004] DDA區別于其他類型電液作動器(EHA)的主要特征是前者的伺服閥是由電機直接 驅動的。與EHA相比，DDA的連接方式能從原理上顯著減少靜態泄漏。一種典型DDA原理簡圖 如說明書附圖2所示。
[0005] DDA正常工作時，在直驅閥的控制下，兩個負載腔的油液通過流量分配閥進入作動 器的的液壓缸中推動活塞桿運動。此時，由于沒有故障，系統的兩個電磁閥處于閉合狀態， 使得兩個流量分配閥處于正常工作的位置。當系統的某一部分出現了故障，該側的電磁閥 會斷開從而同側的流量分配閥會回到初始位置，因此系統的輸出力矩會減半，而空載速率 只是稍微降低。但是在某些情況下，單個液壓缸的輸出力矩就能夠滿足預設的要求，因此另 一部分通常被視為故障時的余度裝置。
【發明內容】
[0006] 本發明為解決現有電液伺服系統控制中存在被忽略的模型不確定性和電機動態 特性，提出一種雙級式直接驅動作動器的非線性建模方法。
[0007] 實現本發明目的的技術方案為：
[0008] -種雙級式直接驅動作動器的非線性建模方法，包括以下步驟：
[0009] 步驟1、建立液壓系統以及摩擦的非線性模型；
[0010] 步驟2、建立電機動態以及磁滯、約束、死區的非線性模型；
[0011] 步驟3、基于建立的液壓系統以及電機動態的非線性模型，建立整個雙級式直接驅 動作動器的非線性模型。
[0012] 本發明與現有技術相比，其顯著優點為：
[0013] (1)本發明考慮了液壓系統內大量的非線性特征，并且針對模型不確定性進行了 詳細的分析與建模，確保系統的模型準確性與工業上的可用性；
[0014] (2)本發明系統建模準確，不僅考慮了液壓系統固有的非線性特征，還考慮了直驅 閥電機的動態以及摩擦非線性和磁滯非線性；
[0015] (3)本發明將整個系統用一個狀態方程直觀、簡潔地表示出來，這為今后在直接驅 動作動器方面的學術研究或工程實踐提供了相應的理論基礎。
【附圖說明】
[0016] 圖1為本發明雙級式直接驅動作動器的非線性建模方法流程圖。
[0017] 圖2為一種典型DDA的原理圖。
【具體實施方式】：
[0018] 如圖1、圖2所示，本發明的一種雙級式直接驅動作動器的非線性建模方法，包括以 下步驟：
[0019] 步驟1、建立液壓系統以及摩擦的非線性模型
[0020] 在所考慮的液壓系統中，供油壓力Ps為常數，回油壓力Pr非常小。運動信號由系統 內的一個編碼器產生，作動器兩腔內的壓力信號由壓力傳感器測出，慣性負載的動態方程 表示為：
[0021] my = AP,-Ft (y)-F, - f(l,y,y) Cl)
[0022] 其中m和y分別代表負載的質量和位移，A為液壓缸有效活塞面積，為負載 壓力，其中P#PP2是兩腔內的壓力，Ff為非線性摩擦，Fl為負載力，f是由外干擾和其他難以 建模的項所引起的不確定非線性；
[0023]以前的模型通常把摩擦簡化為只與速率成正比的粘滯阻力，而事實上，摩擦是一 種非常復雜的非線性現象，其不僅與速度有關，還與位置、溫度等因素有關。典型的摩擦表 現為庫倫摩擦、靜摩擦和粘性摩擦：
[0025]其中，Fc和Fs分別代表庫倫摩擦和粘性摩擦，九是用來描述Stribeck效應的經驗參 數，sgn( ·)是符號函數，Bf為模型阻尼與粘性摩擦的組合系數。明顯可以看出，LuGre摩擦 模型是不連續的，因此，為了改善LuGre模型并使其連續，用一個雙曲正切函數tanh( ·)來 代替符號函數，此時LuGre模型表示為：
[0027] 其中，〇為速度參考值。
[0028]兩腔的壓力動態方程為
[0030]式中為有效體積彈性模量代表前進腔的總體積，V2 = VQ2-Ay代表后 退腔的總體積，VQ1，VQ2分別是這兩個腔的初始體積，Ct為與油壓相關的內泄漏系數，(^和出 分別為前進腔的供油流量和后退腔的回油流量，他們的表達式為
[0032]式中kq = CdW(2/p)V2，Cd為伺服閥節流孔流量系數，W為節流孔面積梯度，P為油液 密度，Ps為供油壓力，Pr為回油壓力，Xv為閥芯位移，RdPR2的定義為：
[0034]明顯可以看出，1^>0，1?2>0,在正常工作條件下的液壓系統中，PjPP2都是有界的， 也就是說，〇〈Pr〈Pl〈PS，0〈Pr〈P2〈Ps。
[0035] 步驟2、建立電機動態以及磁滯、約束、死區的非線性模型
[0036] 除了液壓系統固有的非線性之外，磁滯是一種廣泛存在于物理系統中的特性，其 帶來的震蕩和誤差會影響系統的性能。因此，為了追求更高精度的DDA模型，磁滯所帶來的 影響也必須考慮進來。直驅閥的電機模型能描述為
[0038] 式中，ua，ia*別代表線圈的電壓和電流;R和L分別代表線圈的繞組電阻和電感; 為反電動勢常數;K f為推力常數;Fe為電機產生的電磁推力;maS運動部分質量，包括線圈質 量和閥芯質量
為瞬態軸向液動力，Bt為其阻尼系數;F sa = KsXv為穩態軸向液動力， Ks為穩態液動力剛度;Fd為包括摩擦、電磁推力和由閥的不對稱所引起的附加軸向液動力在 內的外干擾;iahSia的輸入信號，a、c、Βι為常數，且滿足c>Bi。
[0039] 實際的控制系統通常會有其他非線性環節，如輸入約束，死區和濾波。輸入約束是 由實際控制輸入信號的有界性導致的，這不僅會降低系統的性能，還有可能影響系統的穩 定性，輸入約束描述為
[0041 ] 式中，Ual為Ua的輸入信號，UamaxX)和uamin〈0為常數。
[0042]作動器中由于摩擦和閥與齒輪所帶來的的死區非線性也會降低系統的性能，而死 區非線性表示為
[0044] 式中，mr，mi，br與bi都是未知常數，v為濾波后的輸入；
[0045] 另外，一種濾波器模型被用來抑制輸入信號的干擾
[0046] uKp = v+Tv (10)
[0047] 式中u為系統輸入，ΚΡ和Τ為常數。
[0048] 步驟3、建立整個雙級式直接驅動作動器的非線性模型
[0049] 定義狀態變量1=[叉1，叉2，叉3，叉4，叉5，叉6，叉7，叉8，叉9，叉1()]1'，其中叉1 = 7， -Τ2 ：
X8 = Ua，X9 = Ual，XlQ = V，因此，整個系統的 狀態方程可表示為
[0051]本發明設計的最終目的是為了得到作動器輸出的角度，而不是活塞桿的位移輸出
-，乜為活塞桿右端與舵面固定端的距離，1。 為液壓缸的初始長度，1〇為兩個固定端之間的距離，叫為^與^之間的瞬時角度。
【主權項】
1. 一種雙級式直接驅動作動器的非線性建模方法，其特征在于，包括W下步驟： 步驟1、建立液壓系統W及摩擦的非線性模型； 步驟2、建立電機動態W及磁滯、約束、死區的非線性模型； 步驟3、基于建立的液壓系統W及電機動態的非線性模型，建立整個雙級式直接驅動作 動器的非線性模型。2. 根據權利要求1所述的雙級式直接驅動作動器的非線性建模方法，其特征在于，步驟 1具體為： 在液壓系統中，運動信號由系統內的編碼器產生，作動器兩腔內的壓力信號由壓力傳 感器測出，慣性負載的動態方程為：(1) 其中m和y分別代表負載的質量和位移，A為液壓缸有效活塞面積，Pl = Pi-P2為負載壓 力，其中Pi和P2是兩腔內的壓力，Ff為非線性摩擦，Fl為負載力，f是由外干擾和其他難W建 模的項所引起的不確定非線性； 摩擦的非線性模型為：C2) 其中，Fc和Fs分別代表庫倫摩擦和粘性摩擦，i'K是用來描述Stribeck效應的經驗參數， sgn( ·)是符號函數，Bf為模型阻尼與粘性摩擦的組合系數;用一個雙曲正切函數tanh( ·) 來代替符號函數，LuGre模型表示為：(3) 其中，0為速度參考值； 兩腔的壓力動態方程為C4) 式中拓為有效體積彈性模量，Vi = Voi+Ay代表前進腔的總體積，V2 = V〇2-Ay代表后退腔的 總體積，V〇i，V〇2分別是運兩個腔的初始體積，Ct為與油壓相關的內泄漏系數，Qi和化分別為 前進腔的供油流量和后退腔的回油流量，表達式為：(5) 式中kq = CdW(2/p)i/2，Cd為伺服閥節流孔流量系數，W為節流孔面積梯度，P為油液密度， Ps為供油壓力，Pr為回油壓力，XV為閥忍位移，扣和化定義為：(6) 可W得出，Ri〉0，R2〉0,在正常工作條件下的液壓系統中，Pi和P2都是有界的，即，0<Pr<Pl <Ps，0<Pr<P2<Ps。3. 根據權利要求1所述的雙級式直接驅動作動器的非線性建模方法，其特征在于，步驟 2具體為： 直驅閥的電機模型能描述為(7) 式中，Ua，ia分別代表線圈的電壓和電流;R和L分別代表線圈的繞組電阻和電感;Ke為反 電動勢常數;Kf為推力常數;Fe為電機產生的電磁推力;ma為運動部分質量，包括線圈質量和 閥忍質量;巧=A ^為瞬態軸向液動力，Bt為其阻尼系數;Fsa = KsXv為穩態軸向液動力，Ks為 穩態液動力剛度;Fd為包括摩擦、電磁推力和由閥的不對稱所引起的附加軸向液動力在內 的外干擾;iah為ia的輸入信號，α，C，Bl為常數，且滿足C〉Bl ; 輸入約束描述為CS) 式中，Ual為Ua的輸入f曰虧，Uamax〉0和Uajnin〈0為苗數。 死區非線性表示為(9) 式中，mr，mi，br與bl都是未知常數，V為濾波后的輸入； 通過一種濾波器模型來抑制輸入信號的干擾 uKp =ν + Τν UO; 式中u為系統輸入，Κρ和Τ為常數。4. 根據權利要求1所述的了雙級式直接驅動作動器的非線性建模方法，其特征在于，步 驟3具體為： 4/) 定義狀態變量Χ=[Χ1，Χ2,Χ3,Χ4,Χ 已，Χ6,Χ7,Χ8,Χ9,Χ10]Τ，其中Xl = y，X'2 ='夫，々= m Xv，·% = ?，-V=-，X7=iah，X8 = Ua，X9 = Ual，X10 = V，因此，整個系統的狀態方程表示為 mi得到作動器輸出的角f為活塞桿右端 與艙面固定端的距離，1。為液壓缸的初始長度，1〇為兩個固定端之間的距離，Qp為h與1。之間 的瞬時角度。
【文檔編號】F15B19/00GK106089858SQ201610693584
【公開日】2016年11月9日
【申請日】2016年8月20日 公開號201610693584.4, CN 106089858 A, CN 106089858A, CN 201610693584, CN-A-106089858, CN106089858 A, CN106089858A, CN201610693584, CN201610693584.4
【發明人】羅成洋, 姚建勇
【申請人】南京理工大學