基于AMESim-Simu...置伺服系统的滑模变结构控制_余长顺 (1).pdf

第 61 卷 第 3 期Vol.61 No.32023 年 3 月March 2023农业装备与车辆工程AGRICULTURAL EQUIPMENT&VEHICLE ENGINEERING0 引言液压伺服技术作为现代机械工程中机电液技术的关键性元素，以其功率密度大等优势获得了巨大的工程应用，被广泛应用于国防工业及一般工业中高精度、大功率的场合，但其本质所存在的非线性因素不利于其性能的提高。基于此，相关学者将一些诸如自适应、模糊、滑模变结构等控制算法应用到电液伺服系统的控制中1-4。滑模控制最早于 20 世纪 50 年代被提出5，适用于非线性对象的控制，能够解决诸如理想运动的跟踪、定值控制等问题。近年来滑模控制被大量应用于电液伺服系统的控制。胡永生6采用AMESim/Simulink 联合仿真的方式，对比了电液系统在无扰动及负载变化两种情况下的 PID 控制和滑模控制。结果表明，滑模控制具有更好的抗干扰能力和快速性；马亚丽7将滑模控制引入到电液位置伺服系统的控制中，通过给定 2 种输入信号，表明滑模控制的跟踪性能和鲁棒性更优；董彩云8将滑模控制应用到材料试验机的电液伺服系统中，表明滑模控制具有更好的快速性和动态性能。滑模控制具备良好的控制特性，本文采用滑模控制对电液位置伺服系统进行研究。具体实施时，将首先建立电液位置伺服系统的 AMESim 仿真模型，然后通过系统辨识，得到其数学模型，将该数学模型转换为状态空间方程，在 Simulink 中搭建系统的仿真模型，通过 S 函数来完成电液位置伺服系统的滑模控制律的编写，接着给定阶跃和正弦 2 种信号，对系统进行仿真分析。1 基于AMESim的系统模型搭建及参数设置首先在 AMESim 中搭建电液位置伺服系统的物理模型，并根据实际设置参数，建立的 AMESimdoi:10.3969/j.issn.1673-3142.2023.03.027基于 AMESim-Simulink 的电液位置伺服系统的滑模变结构控制余长顺1，袁锐波1，刘森2（1.650093 昆明市 昆明理工大学 机电工程学院；2.650093 昆明市 云南南星科技开发有限公司）摘要 以电液位置伺服系统为研究对象，采用联合仿真方式对其进行了滑模变结构控制的研究。首先搭建电液位置伺服系统的 AMESim 模型，通过系统辨识得到系统的数学模型，并将此数学模型转变为状态空间方程，在 Simulink 中对其进行了滑模控制律的设计及仿真分析。结果表明：滑模控制对输入信号具有响应速度快、跟踪精度高等良好的控制特性。关键词 AMESim；Simulink；电液位置伺服系统；滑模变结构控制 中图分类号 TP273+.2 文献标志码 A 文章编号 1673-3142(2023)03-0130-03引用格式：余长顺,袁锐波,刘森.基于 AMESim-Simulink 的电液位置伺服系统的滑模变结构控制 J.农业装备与车辆工程,2023,61(3):130-132.Sliding mode variable structure control of electro-hydraulic position servo system based on AMESim-SimulinkYU Changshun1,YUAN Ruibo1,LIU Sen2(1.School of Mechanical and Electrical Engineering,Kunming University of Science and Technology,Kunming 650093,Yunnan,China;2.Yunnan Nanxing Technology Development Co.,Ltd.,Kunming 650093,Yunnan,China)Abstract This paper takes the electro-hydraulic position servo system as the research object,and uses the method of co-simulation to study the sliding mode variable structure control.In the specific operation,the author first builds the AMESim model of the electro-hydraulic position servo system,obtains the mathematical model of the system through system identification,converts the mathematical model into a state space equation,and performs design and simulation analysis of sliding mode control law on it in Simulink.The results show that the sliding mode control has good control characteristics of fast response speed and high tracking accuracy to the input signal.Key words AMESim;Simulink;electro hydraulic position servo system;sliding mode variable structure control收稿日期：2022-01-10 131第 61 卷第 3 期仿真模型如图 1 所示。该系统由位移传感器检测液压缸位移将其反馈到控制器，控制器产生输出用以控制伺服阀开度，由此形成闭环9。系统参数设置：恒压泵压力设定为 15 MPa，液压缸缸径为 63 mm，活塞杆直径为 45 mm，液压缸行程为 1 m。为便于参数辨识，设置伺服阀固有频率为 2 000 Hz，控制电流为 1 mA；伺服阀流量增益设置：35 MPa 压差，最大通过流量 60 L/min，负载总质量 100 kg，液压缸两腔死容积为 500 cm3，粘性阻尼系数为 10 000 N/(m/s)，位移传感器的增益为 1；其他参数设置为默认值。2 滑模控制器的设计滑模控制运动轨迹主要分两方面：（1）系统任意初始状态向滑模面运动的阶段；（2）系统到达滑模面后并且慢慢趋于稳定的阶段。所以，对滑模变结构控制器的设计，对应于系统运动的 2 个阶段，可分为滑模面和控制律两部分设计。2.1 滑模面的设计参考文献 10，不考虑伺服阀的非线性影响，将其简化为比例环节，由电液伺服系统数学模型可得伺服阀阀芯位移到液压缸活塞位移的传递函数为()G ssssK21hhhh22=+()(1)式中：Kh液压弹簧刚度；h液压固有频率；h液压阻尼比。通过对 AMESim 搭建的电液位置伺服系统的系统辨识，求得系统的数学模型为().G ss ss20 015 6129 190 8129 190 80 004 9129 190 8222=+()(2)于是可得系统状态空间方程为xxKuyx00010012001 0 0hhhhh22=-+=|(3)被控对象为3阶系统，Xx x x=?系统状态变量。设定r为给定的输入信号，y为系统输出信号，所以系统误差为 e=r-y，定义系统的误差向量为Ee e ery ry ryTT123=-?(4)可以根据系统模型状态空间方程xxxxxxxKuyx2hhhhh1223322321=-+=?(5)列写误差状态方程为EEKurrr0001001200002hhhhhhhh222 =-+?|(6)设计滑模切换函数为s=c1e1+c2e2+e3 (7)而滑模运动的微分方程为EEKurrrc ec ee00010012000020hhhhhhhh22211223 =-+=?|(8)对于满足 s=c1e1+c2e2+e3=0，简化滑模运动的微分方程得：sc ec eec ec ee01122311211=+=+=?(9)式（9）决定了滑动模态的动态品质，可采用极点配置法求得c1，c2。选择期望极点为-34.4168.52i,故可得参数 c1=29 582，c2=68.8。2.2 控制器的设计参考文献 11，设计滑模变结构控制器为u=ueq+usw (10)式中：ueq等效控制，能够实现系统状态的跟踪，即将系统的状态一直保持在滑模面上；usw切换控制，使系统状态趋近于滑模面，削弱系统的抖振，本节将采用指数趋近律。对于等效控制部分，对 s=c1e1+c2e2+e3求导得sc ec eec ec eeeKurrrc ec eeeKurrr2222hhhhhhhhhhhhhhhh11223112222322122322322 =+=+-+=+-+?(11)由s0=?可得等效控制为uKcecerrr122eqhhhhhhhh2122132 =-+-+?()(12)对于切换控制部分，选择指数趋近律，即sgnssks=-?()，其中sgn sss1010=-()。如果过小，那么趋近的速度很慢，调节的过程太慢；amesimcosimsimulinkxuAPPBMT图 1 电液位置伺服系统的 AMESim 模型Fig.1 AMESim model of electro hydraulic position servo system余长顺 等：基于 AMESim-Simulink 的电液位置伺服系统的滑模变结构控制132农业装备与车辆工程 2023 年反之，若 太大，那么系统到达切换面的时候，具有比较大的速度，引起较大的抖动。对于 k，能够加快调节时间，能够快速到达滑模面的过程，还可以削弱抖振，改善系统的品质。本文选定指数趋近律的参数 k=20，=10。故有切换控制usw=-sgn（s）-ks (13)综上所述，设计滑模变结构的控制器为()sgnuuuKcecerrrsks122eqswhhhhhhhh2122232 =+=-+-+?()(14)3 Simulink 建模与仿真分析3.1 基于 Simulink 的控制部分建模在 Simulink 中搭建电液位置伺服系统控制模型，其中滑模变结构控制律的编写通过S函数实现，S 函数有 7 个输入 1 个输出。通过转换开关选择阶跃或正弦信号输入，其控制系统仿真模型如图2所示。3.2 仿真验证及结果分析基于图 1 和图 2 的模型对系统进行 AMESim-Simulink 联合仿真。给定系统以阶跃和正弦 2 种输入信号分别设置阶跃信号的幅值为 0.5 m，正弦信号的输入幅值为 0.5 m，偏置为 0.5，频率为 0.5*pi。运行Simulink 进行系统仿真，可得滑模控制下阶跃输入和正弦输入的响应跟踪曲线，分别如图3和图4所示。由图 3、图 4 可以看出，滑模控制下系统的阶跃响应虽存在抖颤，但其在0.3 s已经跟踪上输入，响应速度快，而其正弦响应无明显滞后，跟踪精度较高。通过对系统的阶跃响应和正弦响应可以看出，本文所设计的电液位置伺服系统的滑模变结构算法取得了较好的控制效果。4 结论本文对电液位置伺服系统进行 AMESim 模型搭建及参数设置，通过系统辨识得到其数学模型，并对其进行了滑模面和控制器 2 部分滑模控制律设计。在 Simulink 中给定系统以阶跃和正弦 2 种激励信号，完成了滑模控制在 2 种输入信号下的仿真分析。结果表明，滑模控制下阶跃响应在 0.3 s 时跟踪输入、响应速度较快，而其正弦响应的滞后小，跟踪精度高，仿真取得了较好的控制效果。参考文献1 刘昱,王安,王展鹏,等.液压伺服系统建模与无模型控制研究 J.机械设计与制造,2019(5):10-13.2 付甜甜,朱玉川,顾亚军.基于 MATLAB-AMESim 的电液伺服系统模糊 PID 控制 J.机床与液压,2016,44(20)