考虑间隙非线性的多轴电液动态加载系统数字控制器研究

Aim to evaluate the performance matching relation between dynamic system and transmission system of large walking machinery in the typical working conditions, the multi-axis dynamic-loading system is always needed to impose load spectrum for actuators of the machinery. Based on the digital controller of multi-axis electro-hydraulic dynamic loading system when the backlash nonlinear of loading system was considered, the formation mechanism and characteristics of backlash on multi-axis electro-hydraulic dynamic loading system is analyzed, then a multi-dimensions Hammerstein model is proposed, which connects the nonlinear static backlash with linear dynamic-loading. Simplify the backlash nonlinear control into linear model predictive control make use of the special structure of this model, and establish the dynamic model of the multi-axis electro-hydraulic dynamic loading system with backlash nonlinear. A compensation method of backlash nonlinear of multi-axis electro-hydraulic dynamic loading system is researched, and the control strategy is established, and then the theoretical basis and implementation method is provided for the digital controller design of multi-axis electro-hydraulic dynamic-loading system and its hardware and software implementation.

评价大型行走机械在各种典型工况下动力系统与传动系统之间的性能匹配关系时，需要多轴动态加载系统为其多个执行机构施加典型工况下所受的载荷谱。本项目以多轴电液动态加载系统数字控制器为研究对象，在考虑加载系统传动链存在间隙的条件下，分析了多轴电液动态加载系统的间隙形成机理和特点，提出由静态间隙非线性部分和动态加载线性部分串联构建多维Hammerstein模型的方案，利用该模型的特殊结构将间隙非线性控制问题简化为线性模型预测控制问题，从而建立含间隙的多轴电液动态加载系统的动力学模型。研究多轴电液动态加载系统中间隙非线性补偿方法，建立多轴电液动态加载系统协同加载控制策略，为多轴电液动态加载数字控制器的设计和软硬件实现提供理论依据和实现方法。

评价大型行走机械在各种典型工况下动力系统与传动系统之间的性能匹配关系时，需要多轴动态加载系统为其多个执行机构施加典型工况下所受的载荷谱。本项目以多轴电液动态加载系统数字控制器为研究对象，掌握了基于 xPC 的电液位置伺服系统快速控制原型，采用L-M算法对变频器干扰环境下电液控制系统的参数进行辨识，设计了模数混合控制器，研究了基于嵌入式系统的模数混合式比例控制放大器，其控制算法通过模数混合PID控制器来实现，完成了阀口独立控制电液阀多轴数字控制器的总体方案设计、CAN总线通信方案设计、大功率比例电磁铁驱动电路仿真分析和电路设计，并建立了一种磁流变假肢膝关节的磁场干扰实验平台，探究了基于数字控制器的磁场干扰对磁流变假肢膝关节运动特性的影响，设计多轴数字控制器并对电液比例多轴控制器推拉储能驱动电路进行研究，对阀口独立控制器中的应用进行了分析。研究表明，在 MATLAB / Simulink 中搭建 xPC 半实物仿真快速控制原型，并结合电液位置伺服系统的辨识模型，在线快速整定出针对于该系统的优化控制参数，可以实现电液位置伺服系统快速控制原型设计。采用L-M(Levenbreg-Marquardt)算法对系统参数进行辨识，和普通最小二乘算法对系统参数辨识相比，前者在参数辨识精度上比后者高5.43%，辨识速度快46.4%。在电液比例多轴控制器推拉储能驱动电路中，以反接卸荷电路为基础，将电容作为储能器，线圈卸荷时吸收能量，线圈充电时释放能量，减小比例电磁铁工作过程中的能量损耗，可提高线圈的充放电速度。通过电容的“推拉”能量，平衡线圈充磁和消磁过程对能量的需求差异，实现大功率高频响PWM功率驱动。数字控制器对实验过程可进行精确控制，使得平台能够实现人体步行中摆动相运动的模拟，膝关节弯曲角度可达59.8 °。在阀口独立控制中，控制器也发挥着优异的性能。本项目的研究提供了多轴电液动态加载系统中间隙非线性补偿方法，为多轴电液动态加载数字控制器的设计和软硬件实现提供理论依据和实现方法。