具有状态约束的电液伺服系统模型参考鲁棒自适应控制——南京理工大学姚建勇教授团队
前沿研究
电液伺服系统由于其抗负载刚性强、功重比大、响应快等优点被广泛应用于重工业、国防装备等领域,并扮演着重要角色。
本期精品文章为各位读者推荐姚建勇教授的《具有状态约束的电液伺服系统模型参考鲁棒自适应控制》,并向各位读者介绍了姚建勇教授在该领域的研究成果、未来研究方向以及团队情况。
具有状态约束的电液伺服系统模型参考鲁棒自适应控制
顾伟伟, 姚建勇, 马大为
南京理工大学机械工程学院
摘要:
针对电液伺服系统中的模型不确定性和状态约束问题,设计了一种模型参考鲁棒自适应控制(MRRAC)方法。将电液伺服系统的近似模型作为模型预测控制(MPC)的设计对象,在设计过程中考虑状态约束,并生成受约束的状态期望,作为后续伺服控制方法的参考指令。为了克服液压系统中的模型不确定性,基于反步法设计了鲁棒自适应控制器(RAC),实现了兼顾模型不确定性和状态约束的伺服控制。基于Lyapunov稳定性理论证明了所设计控制策略的闭环渐近稳定性,且系统所有信号均有界。仿真结果表明,控制器对于系统模型不确定性具有较强的鲁棒性,且可实现对指定状态的有效约束,充分验证了该控制策略的有效性。
关键词:
状态约束;模型预测控制;鲁棒自适应控制;电液伺服系统
电液伺服系统的非线性控制研究现状
一、研究背景
电液伺服系统由于其抗负载刚性强、功重比大、响应快等优点被广泛应用于重工业、国防装备等领域,并扮演着重要的角色。随着现代工业的快速发展,对高性能的液压控制的需求越来越高。然而液压系统是典型的非线性系统,存在诸多非线性特性和模型不确定性,其中模型不确定性包括参数不确定性和不确定非线性,参数不确定性包括负载的变化、粘性摩擦系数等,不确定非线性如外干扰、死区、饱和非线性等,是制约液压系统控制性能提升的瓶颈问题。
二、研究成果
1、时变干扰与参数不确定性作用下的电液伺服系统渐进跟踪控制:提出了电液伺服系统的自适应积分鲁棒非线性控制设计方法,克服了参数不确定性与不匹配干扰的影响,系统地发展了电液伺服系统渐进跟踪控制方法,理论分析及实验结果均验证了所提出方法的优越性。
2、电液伺服系统非线性输出反馈控制:提出了一种同时具有状态估计与干扰观测能力的输出反馈非线性控制方法,成功地实现了不匹配干扰作用下的非线性鲁棒输出反馈控制,理论分析及实验结果均验证了所提出方法的有效性。
3、电液伺服系统自适应重复控制:提出了电液伺服系统自适应重复控制方法,实现了对时变干扰从被动抑制到主动补偿的范式转换,并辅以恰当的鲁棒反馈控制手段,确保了理论分析的严格性,工程实践验证了所提出方法的优越性。
4、电液伺服系统非线性摩擦补偿:提出了新型动态摩擦模型,并在此基础上设计了不可测量状态的双观测器结构,结合参数自适应估计,建立了基于精确模型的主动摩擦非线性补偿方法,实现了超低速伺服跟踪。
三、研究方向
目前团队将继续深入研究电液伺服控制的非线性控制策略,后续研究主要包括以下几个方面:
1、基于参数及干扰估计的非线性控制策略一体化设计研究。
2、未建模动态抑制及高频控制策略设计。
3、输入非线性控制策略设计。
4、液压驱动的非线性机构高性能控制。
团队介绍
团队所属的南京理工大学“兵器科学与技术”及“机械电子工程”分别是国家一级重点学科和江苏省重点学科。所在机械工程学院近十年来在流体传动与控制技术、武器系统伺服控制技术、飞行器等系统的可靠性设计、高精度响应控制、机械系统动力学、先进传感技术、嵌入式系统技术、高速数据采集和信号处理技术、先进控制器开发与电子技术应用等方面开展了大量深入广泛的研究。团队在电液伺服系统设计、控制和信号检测等方面有长期的经验积累及较好的实验设备,每年有源源不断的大批年轻的博士和硕士研究生加入科学研究队伍。另外,学校在各类基金及平台建设的支持下,研发了大量机电液伺服系统,其相关软件、设备、工具等。
电液负载模拟器实验平台
实验台控制平台
油源设备
冷发射装置结构动力学平台
团队负责人
姚建勇,工学博士,南京理工大学机械工程学院,教授,博导。担任航空学会机电分会青年委员会委员,兵工学会会员,国家自然科学基金委函评专家,SCI期刊IEEE Access杂志副主编;荣获航空学报CJA2005-2015突出贡献奖(全国仅两人),入选了江苏省杰青、中国科协青托工程等人才计划;IEEE Transactions on Industrial Electronics, IEEE/ASME Transactions on Mechatronics, IEEE Transactions on Control Systems Technology等20余种国际SCI期刊活跃审稿人。
主持国家自然科学基金面上项目一项、青年基金一项、江苏省自然基金一项,教育部博士点新教师基金一项、航空科学基金一项、国防973专题一项、航天一院基金一项;以第一作者/通讯作者发表论文被SCI收录30余篇,其中IEEE汇刊论文9篇,出版学术专著一部,授权国家发明专利多项。
研究方向为机电系统伺服控制,动态系统故障检测与容错,武器系统半实物仿真技术,火箭导弹发射技术等。