[发明专利]一种基于降低切换增益扰动观测器的直驱阀门系统鲁棒切换控制方法

权利要求书

1.一种基于降低切换增益扰动观测器的直驱阀门系统鲁棒切换控制方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1、建立直驱阀门控制系统的动态切换模型；

步骤2、设计具有扰动观测器的鲁棒切换控制器。

2.根据权利要求1所述的基于降低切换增益扰动观测器的直驱阀门系统鲁棒切换控制方法，其特征在于:步骤1所述建立直驱阀门控制系统的动态切换模型，具体如下：

(2.1)以直驱阀门控制系统为例，建立系统动态切换模型：

在上述式子中，J是系统的总转动惯量，包括电机转子和中心阀的转动惯量，B是粘性摩擦系数，θ是电机旋转角度，K_m是伺服电机的电磁转矩系数，C_e是反电动势系数，R是电枢相电阻，L是电枢相电感，i是电枢等效电流，u^*是等效控制输入电压，T₁是液体力矩，T_c是齿槽转矩，是角速度，是角加速度，是电流的变化率；

此外，齿槽转矩T_c的一般经验公式可以简化如下:

在上述式子中，T_cm是齿槽转矩的峰值；N_c是定子齿数和极数的最小公倍数；是电机位置为零时的机械角度；

由于实际系统中，电枢电路的电磁时间常数远小于机电时间常数，我们可以忽略电枢电感L的作用。我们定义x₁是电机转角的误差，x₂是它的导数。定义状态变量：x＝[x₁，x₂]^T，则得到系统状态方程:

在上述式子中，x₁＝θ_ref-θ是电机转角的误差，θ_ref是电机旋转的参考角度，

(2.2)在DDV伺服系统中，系统参数具有显著的不确定性，并且工作条件和温度的变化相当缓慢，由于某些状态的改变，齿槽效应和未知流体动力负载扰动也会改变。所以，系统状态方程也可以表示为另一种形式：

在上述式子中，x＝(x₁，x₂)^T是已知的系统状态，σ(t):[0，+∞)是从有限索引集{1，2，...，n}中取值的分段常数切换信号；

如果σ(t)＝i，那么第i个切换子系统处于活动状态，剩余切换子系统处于非活动状态。u∈R是系统的控制输入，d∈L₂[0，∞)是外界干扰。

3.根据权利要求1所述的基于降低切换增益扰动观测器的直驱阀门系统鲁棒切换控制方法，其特征在于:步骤2所述设计具有扰动观测器的鲁棒切换控制器，步骤如下：

(3.1)根据传统的滑模控制方法，定义一个矢量变量s，即控制系统的滑动面(1)。

基于反馈线性化技术[13,14,29,30-35]，定义控制律如下:

u＝u_s＝ψ·x₁+K_f·sgn(s) (6)

s＝cx₁+x₂ (7)

上述式子中，K_f为系统增益，c为一常数，m＝b_i-c_i,m≥0。

取s的导数，将(6)和(7)代入s＝cx₁+x₂,得到：

所以，可以用以下形式表达：

根据以上计算和分析，系统增益选择为:

α＞cm (11)

β＜cm (12)

K_f＞|d|_max (13)

由式(10)-(13),可以得到滑动面的可达性条件。在式(13)中,最大干扰|d|_max应小于增益K_f。当干扰较大时，增益K_f将较大，并具有正极性和负极性。于是直驱阀门控制系统会产生颤振现象。为了实现切换控制目标，定义滑动面s＝0。

(3.2)基于反馈线性化方法和扰动观测器技术，扰动估计律分别定义如下:

上述式子中，和分别是d_i和x₂的估计值，增益K₁和K₂由极点位置决定。

(3.3)在本发明中，通过一个带有干扰观测器的鲁棒切换控制器来处理直接驱动阀门控制系统的给定控制问题，并且控制律被构造为如下形式:

u＝u₀+u_s (15)

利用所提出的带有扰动观测器的控制器，根据方程(5)、(15)和(16)，得到:

从式(17)中，扰动项的变化如果能实现增益K_f将会减小，直驱阀门控制系统的颤振现象将得到解决。

(3.4)对于切换信号σ(t)来说，切换序列[21,22,26]定义为:

∑：＝{(i₀，t₀)，(i₁，t₁)，...，(i_k，t_k)，...，|i_k∈Ξ，k∈N} (18)

其中，(i_k,t_k)表示第i_k个子系统在t_k时刻开启，第i_k+1个子系统在t_k+1时刻关闭。t₀是初始时间，t_k＞0是第k个切换时间。当t∈[t_k,t_k+1)，切换系统(1)的轨迹由第i_k+1个子系统表示，定义Δt_k＝t_k-t_k-1为第i_k个子系统在一个周期内的停滞时间。于是，周期性切换信号如下:

上述式子中，l＝0，1，2，...，i∈Ξ，t₀＝0，是切换序列的周期；

对于t∈(t_k-1,t_k]∈Ω_m(m∈Ξ)和t∈(t_k,t_k+1]∈Ω_m+1,有常数0≤μ≤1，使得

|s(t_k+1)|≤μ·|s(t_k)| (20)

直驱阀门控制系统满足如下两个条件：

[i]m≥0,K₁＞0,K₂≥-b； (21)

[ii]

如果以下条件[i]-[ii]成立，闭环切换系统是鲁棒稳定的，直驱阀门控制系统的所有信号保持有界，并且可以很好地达到切换滑模面，因此，所得的直驱阀门控制系统的闭环切换系统是鲁棒稳定的，并且直驱阀门控制系统的所有信号都是有界的，且鲁棒切换控制律是有界的。