兼顾环境影响与物理约束的电液伺服系统关键控制方法研究

Nonlinearity and modelling uncertainty are the common obstacles of improving the control performance of electro-hydraulic servo systems. Circumstance effects (measurement noise, external disturbance, etc.), physical constraints (output power constraint, etc.) and unmodeled dynamics (valve dynamics, mechanical transmission dynamics, etc.) are the main factors of limiting the employment of current nonlinear control methods in engineering area. This proposal takes the valve-controlled electro-hydraulic servo system as research object, the hydraulic-drive-based rudder actuation and weapon servo launcher as research background; to solve the common problems of nonlinear characteristics, modelling uncertainties, and unmatched disturbances, and this proposal carries out the foundational research of proposing novel nonlinear control methods by effectively integrating parametric adaptation, state and disturbance estimation technologies; with considering measurement noise, physical constraints and unmodeled dynamics, by analyzing their influence path and interaction mechanism, this proposal carries out the foundational research of low-noise-sensitive control methods and design concept, novel Lyapunov function based anti-windup controller design method, and new simplified approximation approach of unmodeled dynamics to be appropriately involved in the controller design, respectively. The goal of the proposal is to research novel control strategies for electro-hydraulic servo systems and their theoretical tools and methods, improve the tracking performance meanwhile the applicability and practicability, and expect to push forward the practical application of the nonlinear control.

非线性和模型不确定性是限制电液伺服系统控制性能提升的共性瓶颈问题。环境影响（测量噪声、外干扰等）、物理约束（输出功率约束等）以及未建模动态（阀芯动态、机械传递动态等）是阻碍现有非线性控制方法工程实用化的主要因素。本项目以阀控电液伺服系统为研究对象，以基于液压驱动的舵面作动、武器随动发射装置为研究背景，针对非线性特性、模型不确定性和不匹配干扰等普适性问题，开展有效融合参数自适应、干扰与状态估计的新型非线性控制方法基础研究；兼顾测量噪声、物理约束及未建模动态，分析其对控制性能的影响途径与机理，开展低噪声敏感度控制方法与设计理念研究、基于新型李亚普诺夫函数的抗饱和控制器设计方法研究和探索未建模动态的简化逼近手段，并融入控制策略设计中。本项目研究探索新的电液伺服非线性控制策略以及相应的理论工具和研究方法，在提高控制性能的同时增强其适用性和实用性，从而推动电液伺服系统非线性控制在我国早日走向实用化。

本项目以基于液压驱动的舵面作动、武器随动发射装置为研究背景，以广泛应用的阀控电液伺服作动系统为研究对象，针对模型不确定性、非线性摩擦、测量噪声、未建模动态（阀芯动态、刚度效应）、物理约束（输入饱和、状态约束）等工程实际问题，深入开展基于模型的高性能非线性控制方法研究，满足高精度、高频响控制等实际需求。通过融合自适应参数估计、非线性鲁棒控制与干扰估计等技术手段，提出了一种参数估计与干扰估计相结合的非线性控制策略，克服了传统非线性控制策略考虑片面、实用性差等缺陷，增强了非线性控制器的模型补偿针对性和对未建模干扰的鲁棒性，提升了系统的伺服跟踪能力。提出了改进型的连续可微的LuGre动态摩擦模型，并基于该模型设计了具有非线性摩擦补偿的自适应控制器，提升了电液伺服系统的低速伺服性能。利用基于期望指令的非线性控制理念，提出了期望补偿的自适应控制方法，利用期望指令替换控制律模型补偿项中的实际状态，减少了测量噪声进入控制器的途径，降低了噪声对控制性能的影响。基于阀芯动态时滞模型，提出了具有阀芯动态补偿的输出反馈控制策略，并考虑系统机械柔性动态，设计了具有柔性动态抑制的鲁棒自适应控制策略，有效补偿了未建模动态效应。利用双曲正切函数的天然有界属性，设计了具有输入约束的自适应积分鲁棒控制策略，保证了电液伺服系统渐近跟踪性能的同时实现了对系统输入的约束。基于障碍Lyapunov函数，构造了具有状态约束能力的自适应抗扰控制律，实现了对电液伺服系统的全状态约束。本项目通过对电液伺服系统先进控制策略的研究，深入探索新的基于模型的非线性控制策略以及相应的理论工具和研究方法，推动电液伺服系统非线性控制在我国早日走向实用化。