电液位置伺服系统的反馈线性化滑模控制研究

闵磊 张洪信 赵清海 方磊 杜善霄

摘要：  针对电液位置伺服系统中存在的各种非线性因素和外界干扰不确定性等问题，提出了一种将反馈线性化理论与滑模变结构理论相结合的控制策略，建立了电液位置伺服系统的非线性数学模型，并采用反馈线性化理论对该系统中的非线性因素精确线性化，同时利用滑模变结构理论对系统中的外界干扰不确定性进行补偿。在Matlab/Simulink环境中，搭建某电液位置伺服控制系统模型，对提出的控制算法进行仿真验证。仿真结果表明，该控制算法相对传统比例积分微分（proportion integration differentiation，PID）控制算法位移跟踪误差缩小了9938%，相对滑模控制算法位移跟踪误差缩小了9877%，而且还消除了滑模控制的抖振问题，说明该控制算法有效改善了系统的位置跟踪品质，提高了系统的鲁棒性，并且削弱了系统抖振。该研究有效抑制了电液位置伺服控制系统的各种因素对位置跟踪精度的影响，提高了系统的控制精度。

关键词：  电液位置伺服系统; 反馈线性化理论; 滑模变结构理论; PID; 位移跟踪

中图分类号： TP271.31  文献标识码： A

电液位置伺服系统具有功率密度大、承载能力强和控制精度高等优点，因此被广泛应用于航空航天、船舶、汽车工业等领域[14]。但电液位置伺服系统本身存在着强非线性和外界干扰不确定性等因素，导致系统的控制性能降低[56]。随着工业化的发展，人们对于电液位置伺服系统控制性能的要求越来越高，许多专家学者都将非线性的控制方法引入其中，如反馈线性化、滑模控制、鲁棒控制、反演控制和神经网络控制等，在前面这些控制方法中，反馈线性化由于具有设计方法简单，控制精度高等优点而受到广泛重视[718]。反馈线性化方法就是将一个非线性系统线性化成一个线性系统，然后利用成熟的线性控制方法来达到更好的控制效果，近年来此法已被较多的研究与应用[19]。杨军宏等人[20]构建了由阀控非对称缸组成的非线性系统数学模型，利用反馈线性化理论将其线性化，并对系统的零动态稳定性进行了分析，但线性化后的系统没有进行控制算法设计;郭洪波等人[2124]分别运用非线性控制理论、滑模控制理论和最优控制理论，设计了阀控非对称缸（或者阀控对称缸）系统的控制策略，仿真结果证实考虑了系统的非线性因素，然后利用具有较强鲁棒性的控制算法能够提高系统的控制性能。因此，本文以阀控对称缸为主要研究对象，构建了电液位置伺服系统的非线性数学模型，针对该系统中的非线性因素采用反馈线性化理论将其精确线性化，然后利用鲁棒性较强的滑模变结构控制算法来提高系统控制精度，最后将这种反馈线性化滑模控制算法与传统PID控制算法和滑模控制算法分别进行对比，验证了该方法的有效性。说明该控制方法有效改善了系统的位置跟踪品质，提高了系统的鲁棒性，并且削弱了系统抖振。

1 电液位置伺服系统的非线性数学建模

电液位置伺服系统采用阀控对称缸的液压执行机构，它是由零开口四边滑阀和对称液压缸组成。图中，A为液压缸活塞有效作用面积，m2;x为液压缸活塞杆位移，m;m为等效负载质量，kg;K为等效负载刚度，（N·m-1）;B为等效负载阻尼，（N·s·m-1）;F為作用在液压杆的外负载力，N;xv为伺服阀阀芯位移，m;pL为液压缸负载压力，Pa;pL=pS-p0，pS为供油压力，Pa;p0为回油压力，Pa;取p0=0。电液位置伺

5 结束语

本文建立了电液位置伺服控制系统模型，提出了一种反馈线性化滑模控制算法，并在Matlab/Simulink中进行仿真分析。仿真结果表明，该控制算法与传统PID控制算法相比，位移跟踪误差缩小了9938%，相对滑模控制算法位移跟踪误差缩小了9877%，而且还消除了滑模控制的抖振问题，说明该控制方法有效改善了系统的位置跟踪品质，提高了系统的鲁棒性，并且削弱了系统抖振，有效抑制了电液位置伺服控制系统各种因素对位置跟踪精度的影响，提高了系统的控制精度。该研究具有广阔的应用前景。

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