上海润衡浅谈液压系统控制的特点及应用前景

液压控制中由于存在时间滞后性等特点，系统本身受到外界的影响较大，给液压系统的控制增加了很多困难。随着控制理论的不断发展．对鲁棒控制和预测控制的研究及应用不但具有重要的理论价值，而且具有非常重要的工程意义。 

1、液压系统控制的特点：

   液压传动与控制是研究以有压液体为能源介质实现各种机械的传动与控制的学科。通常是以液压油或其他合成液体作为工作介质，并采用各种元件组成所需要的控制回路，再由若干回路有机组合成能完成各种控制功能的传动系统进行能量的转换、传递与控制。

  液压控制系统响应速度高，由于液压控制系统的压力可以很高，因而执行机构的尺寸小、质量也小；由于液体压缩性小、液压弹簧刚度高，因此液压谐振频率可以很高。这便是大功率下液压控制系统的动态响应比电气控制系统高得多的原因。

  但是在液压控制中由于系统本身的受到外界的影响较大，因此描述系统的准确模型较为困难，一些文献对此进行了系统辨识以获取较为准确的系统模型，但是，由于外界干扰的情况引起的系统参数的变动，系统的模型仍然不能准确的得到，给液压系统的控制增加了很多困难。在液压控制系统的设计中，一般外界负载都被引入到系统的控制传递函数中，而外界负载的变化一般没有规律可寻，从严格意义上说，系统是属于随动系统，因此实际设计控制器时需要对外界负载干扰采取具体控制方法处理。液压系统的滞后性使得其整个控制系统的设计增加了难度，必须采用一些先进的控制方法来处理。 

2、鲁棒控制在液压系统的研究及应用

  系统鲁棒性的研究，较早可追溯到上个世纪许多学者在微分方程解对参数的连续依赖性方面的工作。1972年，“鲁棒控制”一词首次出现，人们开始处理多输入多输出（MIMO）系统的控制器综合问题，由此开创了现代鲁棒控制的新时期，特别是由于控制理论界的推动，形成了从上世纪八十年代至今不衰的鲁棒分析与鲁棒控制研究热。

  我们知道，实际系统总是不可避免地受到这样或那样一些不确定因素的影响，另外，系统在运行过程中，由于工作环境的变化、位置的变迁、元件的老化等都会对系统的性能有着不同程度的影响。如果把所有的不确定因素视为绕动，所谓的鲁棒性就是系统的某一品质或者说某种性能在受有扰动后仍然能保持下变的性质．而鲁棒控制就是设计一个控制器使得系统具有鲁棒性，鲁棒控制是一项非常有实际意义的研究课题。

  近二十年来，随着控制理论的深人发展．许多控制方法诸如微分几何方法、H∞掺制、变结构控制、自适应控制、奇异摄动理论、迭代学习控制等在鲁棒控制的研究中得到了较为成功的应用，特别是近年来出现的“Backstepping”方法和“Recursive_Interlacing方法、LMI方法等等，目前鲁棒控制已形成了一个方法多样、成果丰硕、内容广泛的格局，许多成果己在实际中得到了广泛应用．然而，对于非线性系统，由于问题本身的复杂性，其研究还只能算是初步的，大量的问题还有待进一步深入探讨。几种方法的结合可能会为非线性鲁棒控制的研究开辟新的方向。

  液压系统通过系统辨识或实验测量等方法可以得到系统的模型，并可以获得系统的各个参数的具体数值。而当系统在环境和工况等各种因素发生变化时参数就会发生变化。这里引入鲁棒控制中的概念，称系统的真实模型为标称模型。

  对于液压系统，可以给定一个标称模型（图1），G表示传递函数，K表示已知参数，把所有的外界干扰看作为△，对于△的性能可以根据实际情况来处理，而对于△的研究越深入，鲁棒性能就越容易实现，鲁棒的保守性就越小。

  总之，鲁棒控制的研究趋势就是寻找保守性小，且易于验证的判据，探求易于实现，便于设计的鲁棒控制方案、由于鲁棒控制在实际系统中的广泛实用性，其研究不但具有重要的理论价值，而且具有非常重要的工程意义。

3、预测控制在液压系统的研究及应用

  预测控制（MPC或MBPC）是二十世纪七十年代后期提出的一类新型计算机控制算法, 近十余年来取得了越来越多的成功应用。预测控制是一种基于模型的控制算法，这一模型称为预测模型。预测模型的功能是根据对象的历史信息和未来输入预测其未来输出。预测控制汲取了现代控制理论中的优化思想，利用预测模型和滚动优化并结合反馈校正，取代了传统的较优控制，这种控制策略非常适用于难以用精确数学模型描述的复杂工业过程，由于这类模型强调的是因果关系，对模型形式要求比较宽松，且这种模型不要求对模型结构有先验知识，加之在工业过程中用测试方法比较容易得到，所以受到了广大应用工作者的欢迎，吸引了控制领域理论研究者的高度关注。

  预测控制理论的控制策略可以分为三个步骤：模型预测、滚动优化和反馈校正。预测控制是一种优化控制和闭环控制算法，它是通过某一性能指标的较优来确定未来的控制作用的，这一性能指标涉及到系统未来的行为。在通过优化确定了一系列未来的控制作用后，为了防止模型失配或环境干扰引起控制对理想状态的偏离，预测控制通常不是把这些控制作用逐一全部实施，而只是实现本时刻的控制作用。到下一采样时刻，则首先检测对象的实际输出，并利用这一实时信息对基于模型的预测进行修正，然后再进行新的优化。

  由于液压系统的一些特征参数，如液压阻尼比、液压缸固有频率以及外界负载干扰力等随油温、油压等外界环境的改变将发生一定的变化，使液压系统变为不确定性系统，尤其是液压系统的时间滞后性使得控制系统不能及时有效的得到相应的控制输出，在一些较为严重的情况下，系统呈现不稳定的现象。经典的控制方法大都需要一个精确的数学模型作为分析基础，这个条件对于复杂的电液伺服系统来说是苛刻的。而预测控制理论对解决这类问题提供了有效的途径。

  总之，随着理论研究的不断深入，鲁棒控制、预测控制等先进的控制技术将会在液压系统控制中扮演重要的角色，对我国国民经济的发展和工业自动化水平的提高起到积极的作用，具有重要的理论意义和工程应用价值。