机电液一体化系统中液压子系统的伪功率流无源性建模和控制研究

机电液一体化系统具有如多变量、参数时变等很强的非线性特性，而液压系统数学模型较复杂，有时找不到其输入/输出间明确的函数关系，系统建模和控制器设计很困难，将它看作简化负载，不能真实反映整个系统特性，难达到预期效果。本项目研究典型机电液系统（特别是液压）的建模和控制，在大功率液压泵源实验系统上验证，很具代表性。无源性控制全局定义且全局稳定，无奇异点，对未知参数和未建模动态有很强的鲁棒性，是本质上的非线性控制。将系统中不能用无源性描述的部分，如液压系统中的液体发热、泄漏和能量耗散等问题，用伪键合图模型与接触任务结合进行描述，是无源性控制的补充，构成"伪功率流无源性"复合建模和控制，是本项目首创；借助快速辨识、信号采集分析系统等软硬件结合手段，实时检测并得到各模型之间必要的接触介质（过程参数或结果），并辅以数据挖掘的方法甄别确定，是本项目新思路，为建立合理的控制模型提供有效的依据和措施，意义较大。

本项目针对液压系统进行研究，目的是解决液压系统中存在的液体发热、泄漏和能量耗散等因素带来的建模问题，设计出适应性更强、应用范围更广泛、建模更容易、控制方法更简单有效的复合性的建模手段和控制策略。项目根据耗散性、无源性及其相关理论，对液压系统驱动部分进行无源性分析，建立了液压系统驱动电动机的端口受控的耗散哈密顿系统模型，并在此模型之上设计了一种新的IDA-PBC（基于互联与阻尼配置的无源控制器）的无源控制模型。仿真验证所设计的控制模型具有较强的鲁棒性。对于液压系统中难以符合无源性或键合图建模要求的部分，采用伪键合图或伪功率流分析建模，提出了针对液压系统的整体建模方案，对试验系统中液压子系统的关键部件如液压泵、比例溢流阀、管路等进行了建模，并通过系统辨识对其中相关参数建立了辨识模型。研究了信号采集分析的过程—感知、采集、传输、分析与处理，以及各过程的实现方法，并将这种信号采集分析手段应用到大型起重机金属结构应力变化的实时监测和安全评估中，验证了这种分析手段的可靠性。根据系统辨识的模型及原理，研究了基于信息熵的快速识别方法、基于智能算法的快速辨识方法和信号采集分析的过程及其实现方法，设计了改进的PID神经网络辨识器、改进的遗传算法BP神经网络辨识器、动态模糊神经网络辨识器。将新的系统辨识方法用于液压子系统伪键合图模型中伪功率流部分的快速辨识，成为对液压子系统的有效建模的补充。为实现对液压系统的有效建模与控制，项目提出了液压系统的复合建模与控制模型架构。所提出的复合建模方法综合运用了无源理论、键合图理论、系统辨识等理论，对不同能域分别建模，建模快、精度高。所提出的控制模型基于IDA-PBC方法，充分考虑了负载干扰，对负载变化具有较好的适应性，控制效果好。仿真和试验验证了所设计的复合建模方法能有效地对系统进行建模，控制模型具有较强的鲁棒性和适用性。将复合控制思路和方法应用到圆管带式输送机反弹力测试系统、带式输送机制动系统、难流动散体仓储的卸料系统中，验证了复合控制的可行性，使这些系统高效、运行稳定可靠。