单向变转速比例泵控非对称液压缸高精度位置控制方法研究

To meet the requirements of energy-saving, speed-variable unidirectional proportional pump (SVUP pump) controlled asymmetric hydraulic cylinders (AH cylinders)are getting more and more applications on precision NC hydraulic press machines. Precision nonovershooting position control is a hard task of such applications. This proposal puts the focus on the position control challenges of SVUP pump controlled AH cylinder: the nonlinearity of SVUP pump's output flow with respect to the small input, the effect of the output flow with the frequency-variable flow pulsation, and the precision position control with constraints. The proposal will begins with the research on the behavior of SVUP pump's output flow with respect to the small input signal to find the instability boundary condition of pump's output flow, and to build up a mathmatic model easy-used for system control analysis and synthesis, which fully considers the effects of the pump's structure, leakage, load，and the instability of electrical motor low speed etc. The mechanism of SVUP pump's frequency-variable/amplitue-variable flow pulsation and its effect on system control will be also studied, and the method to analyze the stability of SVUP pump controlled AH cylinder position control system will be addressed. Based on the aforementioned research, a position control algorithm orignating from reference governor theory, which is promising to realize the precision nonovershooting position control, will be studied. Maximal output admissible sets theory is used to develop numberical method for estimating the feasible set of system initial states for SVUP pump controlled AH cylinder position control.The position control problem is formulated with Quadratic Programming with constraints and fast algorithm will be studied so that the corresponding control algorithm can be fulfilled by an industrial control computer.The final goal of this proposal is to provide the theoretical and technical support for the nonovershooting position control of precision NC hydraulic machine.

针对数控精密成形液压机节能、高精度无超调位置控制需求，项目研究变转速比例泵控液压机系统位置精确控制的关键问题：小信号输入下泵流量的非线性、变频/变幅流量脉动的闭环影响及约束条件下系统高精度位置控制策略。重点研究：小信号输入条件下单向变转速比例泵的流量输出行为，揭示泵流量输出失稳的边界条件，建立综合考虑泵结构、泄漏、载荷、电机转速波动等因素影响的、适用于系统控制分析与综合的泵输出流量数学模型；探索变转速比例泵变频/变幅流量脉动产生、发展与稳定的机理，揭示变频/变幅脉动对系统位置控制精度的影响规律，给出输出流量含变频/变幅脉动时系统的稳定性分析方法；研究基于参考调节理论的泵控非对称液压缸高精度无超调位置控制策略，探索相关控制策略初始状态可行域计算方法，开发快速算法，解决相关算法的实时性问题。通过上述研究，最终为数控精密成形液压机泵控高精度无超调位置控制分析与综合提供理论与技术支持。

单向变转速比例泵控非对称缸系统（UnidirectionalProportional Pump Controlled Asymmetric Cylinder，简称：SVUP泵控AH缸系统）具有回路结构简单的优点，在节能型数控成形装备领域有良好应用前景，但目前实际应用中存在的无超调控制需求和系统的分段非线性特性严重的问题，导致相关的系统分析与综合极其困难，严重限制了相关技术在精密成型装备上的应用。.针对SVUP泵控AH缸系统中的控制问题，结合数控精密成形装备的实际需求，项目开展了如下研究：1）研究了小信号输入条件下单向变转速比例泵的流量输出行为，建立了综合考虑泵结构、泄漏等因素的、适用于系统分析与控制综合的泵输出流量数学模型；2）基于系统工作原理和元件特性，结合实验数据，开展了SVUP泵控AH缸系统的数学建模方法研究；3）基于模型预测控制理论，开展了SVUP泵控AH缸系统无超调位置控制方法研究；4）建设了单向变转速比例泵控非对称缸系统实验平台，实验验证了相关的测试方法、数学模型与控制方法。.项目研究取得如下成果：1)提出利用不同压强下的测试点云数据，采用基于移动最小二乘法拟合曲面获取定量泵转速-流量-压力特性曲面的方法，降低了测试系统压强的控制精度要求，提高了变转速比例泵的特性测试效率；2) 提出了一种用带约束的三阶状态空间模型来表述SVUP泵控AH缸系统的方法，通过系统可观性与可控性分析证明所研究系统完全可控且可观，为利用模型预测控制理论开展系统综合提供了系统描述方法；3）设计了融合了状态估计器的模型预测控制器，应用于SVUP泵控AH缸系统位置控制，解决了存在非线性、约束、模型误差和干扰下的无超调控制问题，实验验证所提控制策略可以可靠实现系统无超调控制，位置控制的定位精度为0.005m。.本项目的研究对于应对变转速电液驱动技术面临的挑战、拓宽变转速比例泵控技术的高精度伺服应用（特别是在数控精密成形装备上）具有积极的推动作用，相关理论与方法具有普遍意义；同时基于模型预测控制理论的变转速比例泵控非对称液压缸系统分析、综合的理论与方法，在丰富电液伺服控制理论方面也有较高的价值。