CN113864292B - 电液伺服控制器及其构建方法、电液伺服系统、作业机械 - Google Patents

电液伺服控制器及其构建方法、电液伺服系统、作业机械 Download PDF

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Abstract

本发明提供一种电液伺服控制器及其构建方法、电液伺服系统、作业机械，包括积分单元以及抗饱和单元。通过积分单元，不仅可以消除电液伺服控制器稳态误差并确保参考跟踪，还可以主动抑制激励振荡和可能的负载阶跃，进而可以避免产生积分单元无法消除的无阻尼振荡的现象。通过抗饱和单元，可以实现对积分单元的抗饱和保护。通过本发明中提供的电液伺服控制器，可以更精准的实现对液压执行机构的控制，进而可以极大的提高液压执行机构的性能。

Description

电液伺服控制器及其构建方法、电液伺服系统、作业机械
技术领域
本发明涉及机械控制技术领域，尤其涉及一种电液伺服控制器及其构建方法、电液伺服系统、作业机械。
背景技术
电液伺服系统由于自身动力密度大、负载能力强的优点，目前在机电一体化系统中得到了广泛应用，如飞机轮载系统、疲劳测试装置、负载模拟器、外骨骼等。
目前，电液伺服系统内常用的控制器主要是基于经典线性控制方法实现控制，即采用PID算法以及在采用PID算法的基础上反演的多种基于模型的控制方法实现控制。其中，经典线性控制方法并不需要考虑模型动力学特性，直接根据试验结果进行增益调度即可。在调度过程中，采用固定增益值进行调度。为提高被控对象的性能，至少需要获得电液伺服线性化模型和一些基本液压参数。
但是，当被控对象存在参数不确定性和负载扰动时，如果继续采用经典线性控制方法，以固定增益值进行调度，将无法满足被控对象的性能要求，导致被控对象的性能大大降低。
发明内容
本发明提供一种电液伺服控制器及其构建方法、电液伺服系统、作业机械，用以解决现有技术中存在的缺陷。
本发明提供一种电液伺服控制器，包括：
积分单元，所述积分单元的输入端与信号产生模块的输出端连接，所述积分单元的输出端与抗饱和单元的输入端连接，所述积分单元用于接收所述信号产生模块产生的控制输入信号，并基于所述控制输入信号，分别确定二阶内模增益结果以及积分增益结果，所述积分单元还用于基于所述二阶内模增益结果、所述积分增益结果以及积分抗饱和数据，确定积分融合结果；
所述抗饱和单元，所述抗饱和单元的输出端与液压执行机构连接，所述抗饱和单元用于接收所述积分融合结果，并基于所述积分融合结果，确定所述积分抗饱和数据，并将所述积分抗饱和数据反馈至所述积分单元，所述抗饱和单元还用于生成控制输出信号，并向所述液压执行机构发送所述控制输出信号。
根据本发明提供的一种电液伺服控制器，所述积分单元包括：
二阶内模增益单元，所述二阶内模增益单元的输入端与所述信号产生模块的输出端连接，所述二阶内模增益单元的输出端与积分器的输入端连接，所述二阶内模增益单元用于接收所述控制输入信号，并对所述控制输入信号进行二阶内模增益，得到所述二阶内模增益结果；
积分增益单元，所述积分增益单元的输入端与所述信号产生模块的输出端连接，所述积分增益单元的输出端与所述积分器的输入端连接，所述积分增益单元用于接收所述控制输入信号，并对所述控制输入信号进行积分增益，得到所述积分增益结果；
所述积分器，所述积分器的输出端与所述抗饱和单元的输入端连接，所述积分器用于基于所述二阶内模增益结果、所述积分增益结果以及所述积分抗饱和数据，得到所述积分融合结果。
根据本发明提供的一种电液伺服控制器，所述积分单元还包括：
加权单元，所述加权单元的输入端与所述液压执行机构的状态参数确定模块的输出端连接，所述加权单元的输出端与所述积分器的输入端连接，所述加权单元用于对所述状态参数确定模块确定的所述液压执行机构反馈的各状态参数的相关信息进行加权，得到加权相关信息；所述积分器还用于基于所述二阶内模增益结果、所述积分增益结果、所述积分抗饱和数据以及所述加权相关信息，得到所述积分融合结果。
根据本发明提供的一种电液伺服控制器，所述积分器包括第一积分器和第二积分器，所述积分单元还包括第一求和单元和第二求和单元，所述加权单元包括第一加权单元，所述相关信息包括一阶导数取值，所述加权相关信息包括所述一阶导数取值的第一加权值；
所述第一积分器的输入端与所述二阶内模增益单元的输出端连接，所述第一积分器的输出端以及所述积分增益单元的输出端均与所述第一求和单元的正向输入端连接，所述第一求和单元的输出端以及所述抗饱和单元的第二输出端均与所述第二求和单元的正向输入端连接；
所述第一加权单元的输入端与所述状态参数确定模块的第一输出端连接，所述第一加权单元的输出端与所述第二求和单元的负向输入端连接；
所述状态参数确定模块用于向所述第一加权单元输入所述一阶导数取值，所述第一加权单元用于确定所述第一加权值。
根据本发明提供的一种电液伺服控制器，所述信号产生模块包括第三求和单元，所述加权单元还包括第二加权单元；
所述第三求和单元的正向输入端用于接收所述液压执行机构的目标状态参数的目标值；
所述第二加权单元的输入端与所述状态参数确定模块的第二输出端连接，所述第二加权单元的输出端与所述第三求和单元的负向输入端连接；
所述状态参数确定模块还用于向所述第二加权单元输入所述液压执行机构反馈的各状态参数的观测值，所述第二加权单元用于确定各状态参数的观测值中所述目标状态参数的观测值，所述第三求和单元用于基于所述目标状态参数的目标值以及所述目标状态参数的观测值确定并输出所述控制输入信号。
根据本发明提供的一种电液伺服控制器，所述抗饱和单元包括限幅单元、第四求和单元、积分输入调节单元以及二阶内模增益归零单元；
所述第二积分器的输出端分别与所述限幅单元的输入端以及所述第四求和单元的负向输入端连接，所述限幅单元的输出端与所述第四求和单元的正向输入端连接；所述限幅单元的输出端还分别与所述液压执行机构以及所述状态参数确定模块的输入端连接；
所述第四求和单元的输出端与所述积分输入调节单元的输入端连接，所述积分输入调节单元的输出端分别与所述第二求和单元的正向输入端以及所述二阶内模增益归零单元的输入端连接；
所述二阶内模增益归零单元的输出端与所述二阶内模增益单元的输入端连接，所述二阶内模增益归零单元用于在所述第四求和单元的输出结果非零时将所述二阶内模增益单元的增益值归零。
本发明还提供一种上述所述电液伺服控制器的构建方法，包括：
获取液压执行机构的状态空间模型，并基于所述状态空间模型的系数矩阵，对二阶内模增益单元进行极点配置；
确定积分增益单元、积分器以及抗饱和单元；
基于所述积分增益单元、所述积分器、所述抗饱和单元以及所述二阶内模增益单元，结合反馈控制率，构建所述电液伺服控制器。
根据本发明提供的一种电液伺服控制器的构建方法，所述基于所述状态空间模型的系数矩阵，对二阶内模增益单元进行极点配置，之前还包括：
基于三角形矩阵，对所述系数矩阵进行缩放；
基于缩放后的系数矩阵，对所述二阶内模增益单元进行极点配置。
本发明还提供一种电液伺服系统，包括：上述所述的电液伺服控制器、液压执行机构以及状态参数确定模块，所述状态参数确定模块包括状态测量器以及状态观测器；
所述电液伺服控制器的输入端分别与信号产生模块的输出端以及所述状态参数确定模块的输出端连接，所述电液伺服控制器的输出端分别与所述液压执行机构以及所述状态参数确定模块的输入端连接；
所述电液伺服控制器用于接收所述信号产生模块产生的控制输入信号，并基于所述控制输入信号生成控制输出信号，向所述液压执行机构发送控制输出信号；
所述状态测量器用于测量所述液压执行机构的可测量状态参数，得到所述可测量状态参数的测量值；
所述状态观测器用于基于液压执行机构的状态空间模型以及所述可测量状态参数的测量值，观测所述液压执行机构的非测量状态参数，得到所述非测量状态参数的观测值。
根据本发明提供的电液伺服系统，所述状态观测器具体包括龙伯格观测器。
根据本发明提供的电液伺服系统，所述状态观测器，具体用于：
基于所述液压执行机构的液压回路结构，构建扰动模型；
基于所述扰动模型，对所述状态空间模型进行更新；
基于更新后的状态空间模型以及所述可测量状态参数的测量值，观测所述非测量状态参数，得到所述非测量状态参数的观测值。
本发明还提供一种作业机械，包括上述所述的电液伺服系统。
本发明提供的电液伺服控制器及其构建方法、电液伺服系统、作业机械，包括积分单元以及抗饱和单元，积分单元的输入端与信号产生模块的输出端连接，积分单元的输出端与抗饱和单元的输入端连接，积分单元用于接收控制输入信号，基于控制输入信号，分别确定二阶内模增益结果以及积分增益结果，并基于二阶内模增益结果、积分增益结果以及积分抗饱和数据，确定积分融合结果；抗饱和单元的输出端与液压执行机构连接，抗饱和单元用于接收积分融合结果，并基于积分融合结果，确定积分抗饱和数据，并将积分抗饱和数据反馈至积分单元，抗饱和单元还用于生成控制输出信号，并向液压执行机构发送控制输出信号。通过积分单元，不仅可以消除电液伺服控制器稳态误差并确保参考跟踪，还可以主动抑制激励振荡和可能的负载阶跃，进而可以避免产生积分单元无法消除的无阻尼振荡的现象。通过抗饱和单元，可以实现对积分单元的抗饱和保护。通过本发明中提供的电液伺服控制器，可以更精准的实现对液压执行机构的控制，进而可以极大的提高液压执行机构的性能。
附图说明
为了更清楚地说明本发明或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是本发明提供的电液伺服控制器的结构示意图之一；
图2是本发明提供的电液伺服控制器的结构示意图之二；
图3是本发明提供的电液伺服控制器的结构示意图之三；
图4是本发明提供的电液伺服控制器的结构示意图之四；
图5是本发明提供的电液伺服控制器的结构示意图之五；
图6是本发明提供的电液伺服控制器的构建方法的流程示意图；
图7是本发明提供的电液伺服控制器的控制逻辑示意图；
图8是本发明提供的电液伺服系统的结构示意图；
图9是本发明提供的状态观测器的原理图；
图10是本发明提供的电子设备的结构示意图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明中的附图，对本发明中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
由于电液伺服系统本身存在未知的黏性阻尼和负载刚度，泵流量容积特性变化，伺服阀非线性特性、非对称零位、死区、滞环等特性，液压油体积弹性模量参数变化、油温变化等，导致电液伺服系统的动态性能、稳态性能以及系统稳定裕度会有一定程度的降低。
当被控对象存在参数不确定性和负载扰动时，如果继续采用经典线性控制方法，以固定增益值进行调度，将无法满足被控对象的性能要求，导致被控对象的性能大大降低。为此，本发明实施例中提供了一种电液伺服控制器。
图1为本发明实施例中提供的电液伺服控制器的结构示意图，如图1所示，电液伺服控制器包括：
积分单元1，积分单元1的输入端与信号产生模块的输出端连接，积分单元1的输出端与抗饱和单元2的输入端连接，积分单元1用于接收信号产生模块产生的控制输入信号，并基于控制输入信号，分别确定二阶内模增益结果以及积分增益结果，积分单元1还用于基于二阶内模增益结果、积分增益结果以及积分抗饱和数据，确定积分融合结果；
抗饱和单元2，抗饱和单元2的输出端与液压执行机构3连接，抗饱和单元2用于接收积分融合结果，基于积分融合结果，确定积分抗饱和数据，并将积分抗饱和数据反馈至积分单元1，抗饱和单元2还用于生成控制输出信号，并向液压执行机构3发送控制输出信号。
具体地，本发明实施例中提供的电液伺服控制器，可以包括积分单元1以及抗饱和单元2，二者可以形成反馈连接，通过抗饱和单元2可以确定积分单元1中在进行积分融合时采用的积分抗饱和数据，进而实现对积分单元1得到的积分融合结果的反馈调节。
积分单元1的输入端可以与信号产生模块的输出端连接，通过信号产生模块可以产生控制输入信号。积分单元1的输入端还可以与抗饱和单元2的输出端连接，以通过抗饱和单元2实现对积分单元1进行反馈调节。
积分单元1的输入端不仅用于接收控制输入信号，还用于接收积分抗饱和数据。该积分抗饱和数据即抗饱和单元2为积分单元1提供的积分抗饱和反馈。基于此，本发明实施例中提供的电液伺服控制器可以看做是一种带二阶内模和抗饱和保护的增广状态反馈控制系统。
控制输入信号可以是液压执行机构3的目标状态参数的目标值与液压执行机构3反馈的目标状态参数的观测值之间的差值。液压执行机构3可以包括电机、液压泵、阀门以及液压缸，电机进行转动可以带动液压缸的伸缩。液压执行机构3的状态参数可以包括电机的转速n(其单位可以是r/min)、液压缸的伸缩速度vcyl(其单位可以是m/s)、液压泵的入口压力pa(其单位可以是bar)以及液压泵的出口压力pb(其单位可以是bar)。液压执行机构3的状态参数可以表示为：
x＝[n vcvl pa pb]T
液压执行机构3的状态参数还可以包括电机的转速n(其单位可以是r/min)、液压缸的伸缩速度vcyl(其单位可以是m/s)、液压缸的入口压力pA(其单位可以是bar)以及液压缸的出口压力pB(其单位可以是bar)。液压执行机构3的状态参数可以表示为：
x＝[n vcvl pA pB]T
其中，pA、pB可以通过pa、pb确定。
目标状态参数可以是液压执行机构3中液压缸的伸缩速度vcvl。
积分单元1可以用于对接收到的控制输入信号进行二阶内模增益，得到二阶内模增益结果，以实现二阶内模控制，主动抑制激励振荡和可能的负载阶跃。积分单元1进行二阶内模增益时采用的增益值可以表示为KOSC。
积分单元1也用于对接收到的控制输入信号进行积分增益，得到积分增益结果。积分单元1进行积分增益时采用的增益值可以表示为Ki。
除此之外，积分单元1还可以用于基于二阶内模增益结果、积分增益结果以及积分抗饱和数据进行积分融合，确定积分融合结果，即可以至少将二阶内模增益结果、积分增益结果以及积分抗饱和数据这三类信息进行积分融合，通过积分融合动作可以建立振荡器以消除电液伺服控制器的稳态误差并确保参考跟踪。
由于液压执行机构通常是一个二阶受控系统，因此可能导致积分融合动作无法消除的无阻尼振荡。本发明实施例中积分单元1引入了二阶内模增益作用，可以主动抑制激励振荡和可能的负载阶跃，进而可以避免产生积分融合动作无法消除的无阻尼振荡的现象。
抗饱和单元2的输入端可以接收积分融合结果，抗饱和单元2的输出端可以与液压执行机构3连接。抗饱和单元2可以根据积分融合结果，为积分单元1提供积分抗饱和数据。抗饱和单元2可以用于基于反计算抗饱和(Anti-Windup，AW)法为积分单元1提供积分抗饱和数据，对积分单元1进行抗饱和保护，以避免积分饱和而使电液伺服控制器输出的控制输出信号产生较大的过冲。即抗饱和单元2结合积分融合的结果，为积分单元1引入积分抗饱和数据，以使积分单元1在积分饱和状态下是有源的。
积分抗饱和数据可以输入至积分单元1中作为积分单元1的输入。由于积分单元1基于二阶内模增益结果、积分增益结果以及积分抗饱和数据进行积分融合，因此包含针对于二阶内模增益结果以及针对于积分增益结果的两个积分行为，因此积分抗饱和数据可以包括第一积分抗饱和数据以及第二积分抗饱和反馈，第一积分抗饱和数据可以用于为二阶内模增益结果提供反馈，第二积分抗饱和数据可以用于为积分增益结果提供反馈，进而实现对两个积分行为的抗饱和保护。
本发明实施例中，抗饱和单元2中可以引入限幅单元，通过限幅单元的输出信号与输入信号的差值，确定第一积分抗饱和数据以及第二积分抗饱和数据。
最后，抗饱和单元2可以生成控制输出信号，并向液压执行机构3发送控制输出信号。液压执行机构3基于接收到的控制输出信号进行运行，即实现了电液伺服控制器对液压执行机构3的控制。其中，控制输出信号可以是液压执行机构3的目标状态参数的目标值对应的电机参考转矩T(其单位为牛*米，即N*m)。通过控制液压执行机构3中电机按电机参考转矩进行转动，实现对液压执行机构3中液压缸的伸缩速度的控制，使液压缸的伸缩速度达到目标值。
本发明实施例中提供的电液伺服控制器，包括积分单元以及抗饱和单元，积分单元的输入端与信号产生模块的输出端连接，积分单元的输出端与抗饱和单元的输入端连接，积分单元用于接收控制输入信号，基于控制输入信号，分别确定二阶内模增益结果以及积分增益结果，并基于二阶内模增益结果、积分增益结果以及积分抗饱和数据，确定积分融合结果；抗饱和单元的输出端与液压执行机构连接，抗饱和单元用于接收积分融合结果，并基于积分融合结果，确定积分抗饱和数据，并将积分抗饱和数据反馈至积分单元，抗饱和单元还用于生成控制输出信号，并向液压执行机构发送控制输出信号。通过积分单元，不仅可以消除电液伺服控制器稳态误差并确保参考跟踪，还可以主动抑制激励振荡和可能的负载阶跃，进而可以避免产生积分单元无法消除的无阻尼振荡的现象。通过抗饱和单元，可以实现对积分单元的抗饱和保护。通过本发明实施例中提供的电液伺服控制器，可以更精准的实现对液压执行机构的控制，进而可以极大的提高液压执行机构的性能。
如图2所示，在上述实施例的基础上，本发明实施例中提供的电液伺服控制器，所述积分单元1包括：
二阶内模增益单元11，所述二阶内模增益单元11的输入端与所述信号产生模块的输出端连接，所述二阶内模增益单元11的输出端与积分器13的输入端连接，所述二阶内模增益单元11用于接收所述控制输入信号，并对所述控制输入信号进行二阶内模增益，得到所述二阶内模增益结果；
积分增益单元12，所述积分增益单元12的输入端与所述信号产生模块的输出端连接，所述积分增益单元12的输出端与所述积分器13的输入端连接，所述积分增益单元12用于接收所述控制输入信号，并对所述控制输入信号进行积分增益，得到所述积分增益结果；
所述积分器13，所述积分器13的输出端与所述抗饱和单元2的输入端连接，所述积分器13用于基于所述二阶内模增益结果、所述积分增益结果以及所述积分抗饱和数据，得到所述积分融合结果。
具体地，本发明实施例中，积分单元1可以包括二阶内模增益单元11、积分增益单元12以及积分器13。其中，二阶内模增益单元11的输入端可以与信号产生模块的输出端连接，二阶内模增益单元11的输出端与积分器13的输入端连接，二阶内模增益单元11用于接收控制输入信号，并对接收控制输入信号进行二阶内模增益，得到二阶内模增益结果，以实现二阶内模控制，主动抑制激励振荡和可能的负载阶跃。进行二阶内模增益动作时采用的增益值可以表示为KOSC，可以在构建二阶内模增益单元11时确定，本发明实施例中对此不作具体限定。此处，控制输入信号可以经由二阶内模增益单元11的输入端输入至二阶内模增益单元11内进行二阶内模增益，然后经由二阶内模增益单元11的输出端输出二阶内模增益结果。
积分增益单元12的输入端可以与信号产生模块的输出端连接，积分增益单元12的输出端与积分器13的输入端连接，积分增益单元12也用于接收控制输入信号，并对接收控制输入信号进行积分增益，得到积分增益结果。积分增益采用的增益值可以表示为Ki，可以在构建积分增益单元12时确定，本发明实施例中对此不作具体限定。此处，控制输入信号可以经由积分增益单元12的输入端输入至积分增益单元12内进行积分增益，然后经由积分增益单元12的输出端输出积分增益结果。
积分器13的输出端与抗饱和单元2的输入端连接，积分器13可以用于对二阶内模增益结果以及积分增益结果进行积分融合，通过积分器13可以建立振荡器以消除电液伺服控制器的稳态误差并确保参考跟踪。
由于在车辆控制器或逆变器上实现控制要求在具有采样时间的离散空间中设计控制，因此积分器可以被建模为简单的正向欧拉元件。如果这种简化在未来导致离散化问题，可以采用更精确的“Tustin”或“双线性变换”积分器，如此可能会增加控制单元的计算和存储工作。
积分单元1中积分器13的数量可以是一个或多个。积分器13可以先对二阶内模增益结果进行积分，得到第一积分结果。然后将第一积分结果与积分增益结果进行融合后再通过积分器13进行积分，进而得到积分融合结果。
本发明实施例中，给出了积分单元的具体结构，可以使其功能更加易于实现。
在上述实施例的基础上，本发明实施例中提供的电液伺服控制器，所述积分单元还包括：
加权单元，所述加权单元的输入端与所述液压执行机构的状态参数确定模块的输出端连接，所述加权单元的输出端与所述积分器的输入端连接，所述加权单元用于对所述状态参数确定模块确定的所述液压执行机构反馈的各状态参数的相关信息进行加权，得到加权相关信息；所述积分器还用于基于所述二阶内模增益结果、所述积分增益结果、所述积分抗饱和数据以及所述加权相关信息，得到所述积分融合结果。
具体地，本发明实施例中，积分单元1还可以包括加权单元。该加权单元的输入端可以与液压执行机构3的状态参数确定模块的输出端连接。状态参数确定模块用于确定液压执行机构3反馈的各状态参数的相关信息，相关信息可以包括各状态参数的取值以及各状态参数的一阶导数取值等，本发明实施例中对此不作具体限定。
通过该加权单元，可以对各状态参数的相关信息进行加权，得到加权相关信息，每个状态参数的相关信息均对应有一个加权相关信息。本发明实施例中，各状态参数的相关信息可以通过矩阵表示，相应地，加权相关信息也可以通过矩阵表示。
积分器的输入端可以与加权单元的输出端连接，该积分器在进行积分融合时，可以引入加权相关信息，即积分器可以基于二阶内模增益结果、积分增益结果、积分抗饱和数据以及加权相关信息进行积分融合，得到积分融合结果。
本发明实施例中，在积分单元中引入加权单元，该加权单元可以通过加权动作从各状态参数的相关信息中选取合适的信息作为加权相关信息，并注入至积分器进行积分融合，可以保证积分融合结果的准确性。
如图3所示，在上述实施例的基础上，本发明实施例中提供的电液伺服控制器，积分器13包括第一积分器131和第二积分器132，积分单元1还包括第一求和单元14和第二求和单元15，加权单元包括第一加权单元16，相关信息包括一阶导数取值，加权相关信息包括所述一阶导数取值的第一加权值；
第一积分器131的输入端与二阶内模增益单元11的输出端连接，第一积分器131的输出端以及积分增益单元12的输出端均与第一求和单元14的正向输入端连接，第一求和单元14的输出端以及抗饱和单元2的第二输出端均与第二求和单元15的正向输入端连接；
第一加权单元16的输入端与液压执行机构3的状态参数确定模块4的第一输出端连接，第一加权单元16的输出端与第二求和单元15的负向输入端连接；
状态参数确定模块4用于向第一加权单元16输入液压执行机构3反馈的各状态参数的一阶导数取值，第一加权单元16用于确定各一阶导数取值的第一加权值。
具体地，本发明实施例中，通过第一积分器131和第二积分器132分别实现一个积分行为，积分单元1还包括第一求和单元14和第二求和单元15，加权单元包括第一加权单元16。
第一积分器131可以实现对二阶内模增益结果进行积分，第一积分器131的积分项可以由z函数确定，例如可以是：TS/(z-1)。通过第一积分器131可以得到第一积分结果。
第一求和单元14用于将输入其中的信号进行求和，第一求和单元14可以包括两个正向输入端和一个负向输入端，通过正向输入端输入的信号在进行求和时取正，通过负向输入端输入的信号在进行求和时取负。第一积分器131得到的第一积分结果可以与积分增益单元12得到的积分增益结果经由其输出端输出至第一求和单元14的正向输入端。第一求和单元14将两个正向输入端得到的信号进行求和，即将第一积分结果与积分增益结果相加，得到第一求和结果。
该第一求和结果经由第一求和单元14的输出端输出至第二求和单元15的正向输入端。抗饱和单元2反馈的第二积分抗饱和数据经由其第二输出端输出至第二求和单元15的正向输入端。第二求和单元15对经由正向输入端输入的两个信号进行求和，得到第二求和结果。
液压执行机构3的状态参数确定模块4用于确定液压执行机构3反馈的各状态参数的一阶导数取值，液压执行机构3反馈的各状态参数的一阶导数取值可以表示为：
Figure BDA0003326455000000131
其中，
Figure BDA0003326455000000132
为x的一阶导数取值。
状态参数确定模块4的第一输出端将液压执行机构3反馈的状态参数的一阶导数取值输入至第一加权单元16，第一加权单元16可以基于预先确定的第一权重矩阵确定各一阶导数取值的第一加权值。第一权重矩阵可以表示为K1×4。第一加权值即为各一阶导数取值与第一权重矩阵中对应权值的乘积之和。
第一加权值经由第二求和单元15的负向输入端输入至第二求和单元15，第二求和单元15将第二求和结果与第一加权值进行作差，得到差值结果。
第二求和单元15得到的差值结果可以输入至第二积分器132进行积分，得到第二积分结果。第二积分器132可以与第一积分器131相同，其积分项也可以相同。通过第一积分器131与第二积分器132，可以建立振荡器以消除电液伺服控制器的稳态误差并确保参考跟踪。
由于本发明实施例中液压执行机构通常是一个二阶受控系统，因此可能导致第一积分器131与第二积分器132无法消除的无阻尼振荡。但是由于本发明实施例中引入了二阶内模增益单元11，可以主动抑制激励振荡和可能的负载阶跃，进而可以避免产生第一积分器131与第二积分器132无法消除的无阻尼振荡。
第二积分结果可以输入至抗饱和单元2，该抗饱和单元2可以用于基于反计算抗饱和(Anti-Windup，AW)法对第一积分器131以及第二积分器132进行抗饱和保护，以避免积分饱和而使电液伺服控制器输出的控制输出信号产生较大的过冲。即通过抗饱和单元2，为第一积分器131以及第二积分器132引入负反馈信号，以使第一积分器131以及第二积分器132在积分饱和状态下是有源的。
本发明实施例中，抗饱和单元2中可以引入限幅单元，通过限幅单元的输出信号与输入信号的差值，确定针对于第一积分器的第一积分抗饱和数据以及针对于第二积分器的第二积分抗饱和数据，并分别反馈至第一积分器的输入端以及第二积分器的输入端。
需要说明的是，本发明实施例中，由于第一积分器131的输入端连接有二阶内模增益单元11，因此可以直接将第一积分抗饱和数据输入至二阶内模增益单元11内，也即通过抗饱和单元2的第二输出端输出第一积分抗饱和数据，通过抗饱和单元2的第一输出端输出第二积分抗饱和数据。
本发明实施例中，积分器包括第一积分器以及第二积分器，通过第一积分器以及第二积分器，可以消除电液伺服控制器稳态误差并确保参考跟踪。
如图4所示，在上述实施例的基础上，本发明实施例中提供的电液伺服控制器，所述信号产生模块包括第三求和单元6，加权单元还包括第二加权单元5；
第三求和单元6的正向输入端用于接收液压执行机构3的目标状态参数的目标值；
第二加权单元5的输入端与状态参数确定模块4的第二输出端连接，第二加权单元5的输出端与第三求和单元6的负向输入端连接。状态参数确定模块4还用于向第二加权单元5输入液压执行机构3反馈的各状态参数的观测值，第二加权单元5用于确定各状态参数的观测值中目标状态参数的观测值，第三求和单元6用于基于目标状态参数的目标值以及目标状态参数的观测值确定并输出控制输入信号。
具体地，本发明实施例中，在电液伺服控制器中，信号产生模块可以包括第三求和单元6以第二加权单元5；第三求和单元6可以包括正向输入端以及负向输入端，第三求和单元6的正向输入端可以与液压执行机构3的目标状态参数的目标值接收端连接，该目标值接收端用于接收目标状态参数的目标值，例如用于接收液压执行机构中液压缸的伸缩速度的目标值vcyl-set(其单位为米每秒，即m/s)。
第二加权单元5的输入端与状态参数确定模块4的第二输出端连接，液压执行机构3的状态参数确定模块4还用于确定液压执行机构3反馈的各状态参数的观测值，液压执行机构3反馈的各状态参数的观测值可以表示为：
Figure BDA0003326455000000151
其中，
Figure BDA0003326455000000152
为x的观测值。
状态参数确定模块4的第二输出端将液压执行机构3反馈的各状态参数的观测值输入至第二加权单元5，第二加权单元5可以基于预先确定的第二权重矩阵确定各状态参数的观测值中目标状态参数的观测值。第二权重矩阵可以表示为[0 1 0 0]。目标状态参数的观测值即为第二权重矩阵中对应权值与各状态参数的观测值的乘积之和，即
Figure BDA0003326455000000161
最后，第二加权单元5将目标状态参数的观测值经由第三求和单元5的负向输入端输入至第三求和单元6，通过第三求和单元6计算vcyl-set与
Figure BDA0003326455000000162
的差值，并将该差值作为控制输入信号输出至二阶内模增益单元以及积分增益单元。
本发明实施例中，在确定控制输入信号时，引入了目标状态参数的观测值，实现了反馈控制。
如图5所示，在上述实施例的基础上，本发明实施例中提供的电液伺服控制器，抗饱和单元2包括限幅单元21、第四求和单元22、积分输入调节单元23以及二阶内模增益归零单元24；
第二积分器132的输出端分别与限幅单元21的输入端以及第四求和单元22的负向输入端连接，限幅单元21的输出端与第四求和单元22的正向输入端连接；限幅单元21的输出端还分别与液压执行机构3以及状态参数确定模块4的输入端连接；
第四求和单元22的输出端与积分输入调节单元23的输入端连接，积分输入调节单元23的输出端分别与第二求和单元15的正向输入端以及二阶内模增益归零单元24的输入端连接；
二阶内模增益归零单元24的输出端与二阶内模增益单元11的输入端连接，二阶内模增益归零单元24用于在第四求和单元22的输出结果非零时将二阶内模增益单元11的增益值归零。
具体地，本发明实施例中，抗饱和单元2可以包括限幅单元21、第四求和单元22、积分输入调节单元23以及二阶内模增益归零单元24。限幅单元21的输入端与第二积分器132的输出端连接，限幅单元21的输出端分别与第四求和单元22的正向输入端、液压执行机构3以及状态参数确定模块4的输入端连接。
限幅单元21设置有上限值和下限值，限幅单元21判断第二积分器输出的第二积分结果是否在由上限值和下限值构成的限值范围内。
如果第二积分结果在限值范围内，则限幅单元21的输入和输出相等，即第四求和单元22的输出结果|m|＝0，则积分输入调节单元23以及二阶内模增益归零单元24不起作用，保证了第一积分器以及第二积分器在非饱和状态下电液伺服控制器的性能不受影响。
如果第二积分结果不在限值范围内，则限幅单元21的输入和输出并不相等，即第四求和单元22的输出结果|m|≠0，则可以通过积分输入调节单元23对第四求和单元22的输出结果进行调节，调节系数可以是1/Ts，Ts为采样时间。经积分输入调节单元23调节后的结果即可作为第二积分抗饱和数据输入至第二求和单元的15的正向输入端。
同时，经积分输入调节单元23调节后的结果继续输入至二阶内模增益归零单元24，二阶内模增益归零单元24在第四求和单元22的输出结果非零时将二阶内模增益单元11的增益值归零，即KOSC＝0。也即此时将KOSC＝0作为第一积分抗饱和数据输入至二阶内模增益单元11。
本发明实施例中，给出了抗饱和单元的具体结构，通过限幅单元实现对第一积分器以及第二积分器是否出现饱和状态的判断。通过积分输入调节单元实现对第二积分器的输入进行调整，以使第二积分器由饱和状态调整为非饱和状态。通过二阶内模增益归零单元实现对第一积分器的输入进行调整，以使第一积分器由饱和状态调整为非饱和状态，进而实现积分抗饱和。
如图6所示，在上述实施例的基础上，本发明实施例中提供了一种电液伺服控制器的构建方法，包括：
S61，获取液压执行机构的状态空间模型，并基于所述状态空间模型的系数矩阵，对二阶内模增益单元进行极点配置；
S62，确定积分增益单元、积分器以及抗饱和单元；
S63，基于所述积分增益单元、所述积分器、所述抗饱和单元以及所述二阶内模增益单元，结合反馈控制率，构建所述电液伺服控制器。
具体地，本发明实施例中提供的电液伺服控制器的构建方法，其执行主体为服务器，该服务器可以是本地服务器，也可以是云端服务器，本地服务器具体可以是计算机等，本发明实施例中对此不作具体限定。
首先执行步骤S61，获取液压执行机构的状态空间模型。具有非线性扰动的状态空间模型可以表示为：
Figure BDA0003326455000000181
with x＝[n Vcyl pa pb]T，u＝T，
Figure BDA0003326455000000182
其中，n为电机的转速r/min，vcyl为液压缸的伸缩速度，pa和pb为液压泵的入口压力bar和出口压力bar，T为电机参考转矩Nm，FL为负载力N，Vp为液压泵排量(cm3)，Qca以及Qcb分别为闭环回路的补偿液压流量L/min，Ak为液压缸面积，即缸筒内壁截面积，J为转动惯量kg·m2，m为质量kg，Cn为电机转速系数，Cv为油缸速度系数，CH,A、CH,B分别为液压缸入口系数以及液压缸出口系数。
对于系统设计，假定矩阵和为常数。扰动矢量随时间而变化，并随机器的工作条件而呈非线性，液压流量由实测压力估算，如下：
Figure BDA0003326455000000183
Figure BDA0003326455000000184
其中，pa、pb、pc分别为液压泵入口压力、液压泵出口压力以及液压泵对应的充油泵压力。
负载力FL可由压力估计，公式如下：
FL＝pa·Ak-pb·Ak·α
其中，pa、pb、pc均可以通过设置在对应位置处的压力传感器测量得到。电机的转速以及液压泵的转速均可以通过电机的控制单元确定。除此之外的其他状态参数可以通过非线性观测器观测得到。
在电液伺服控制器的设计阶段，假设液压执行机构的质量和液压能力为常数。在电液伺服控制器中，状态向量作为反馈，带有增益矩阵，使系统动力学稳定，并使控制输入信号为零。为了精确的参考，需要对输入进行跟踪，否则电液伺服控制器将始终收敛于零。液压执行机构的实际系统是非线性的，并且存在扰动。在系统矩阵常数和非线性负载的假设下设计电液伺服控制器。电液伺服控制器的控制逻辑示意图如图7所示。图7中，x3×1＝[npA pB]T可以通过实际测量得到，因此均为可测量状态参数。而vcvl则无法通过实际测量得到，只能通过非线性观测器观测得到，因此其为非测量状态参数。
然后根据状态空间模型的系数矩阵，对二阶内模增益单元进行极点配置。系数矩阵可以包括A、B、d。极点的位置可以任意选择，并由特征方程定义，但零点处至少要定义一个极点，以保证偏移量自由参考跟踪。其余的均可定义为单实极或共轭复极对。电机转矩的最大动态范围在200Hz-500Hz以内，因此控制动态不应动作更快。而且，需要保证电液伺服控制器的机械动力学及其振荡器能力是在3Hz-12Hz和25Hz-40Hz的范围内。
然后执行步骤S62，确定积分增益单元、积分器以及抗饱和单元。其中，积分增益单元可以等效于比例积分(PID)控制器中的积分增益部分。积分器的数量可以为一个或多个，积分器的积分项可以由z函数确定，例如为：TS/(z-1)。抗饱和单元可以包含三个输出端，两个输出端用于反馈，一个输出端作为电液伺服控制器的输出端。第一输出端为抗饱和单元的输出端，第二输出端为二阶内模增益归零单元的输出端。
最后执行步骤S63，根据积分器、抗饱和单元以及二阶内模增益单元，结合反馈控制率，构建电液伺服控制器。即构建出如图5所示的电液伺服控制器。
本发明实施例中提供了电液伺服控制器的构建方法，首先获取液压执行机构的状态空间模型，并基于所述状态空间模型的系数矩阵，对二阶内模增益单元进行极点配置；然后确定积分增益单元、积分器以及抗饱和单元；最后基于积分增益单元、积分器、抗饱和单元以及二阶内模增益单元，结合反馈控制率，构建所述电液伺服控制器。通过引入积分器，可以消除电液伺服控制器稳态误差并确保参考跟踪。通过引入二阶内模增益单元，可以主动抑制激励振荡和可能的负载阶跃，进而可以避免产生积分器无法消除的无阻尼振荡的现象。通过引入抗饱和单元，可以实现对积分器的抗饱和保护。通过本发明实施例中提供的电液伺服控制器的构建方法，可以使构建得到的电液伺服控制器更加精准，便于提高液压执行机构的性能。
在上述实施例的基础上，本发明实施例中提供的电液伺服控制器的构建方法，所述基于所述状态空间模型的系数矩阵，对二阶内模增益单元进行极点配置，之前还包括：
基于三角形矩阵，对所述系数矩阵进行缩放；
基于缩放后的系数矩阵，对所述二阶内模增益单元进行极点配置。
具体地，状态空间模型的系数矩阵可以由它的物理量定义的。这在系数矩阵内造成很大的数值范围，并造成不稳定性。因此，本发明实施例中，系数矩阵需要是预缩放的，以确保所有行和列在一个相邻的数量级。在极点配置前，可以利用MATLAB预标函数，将状态空间模型的系数矩阵乘上两个三角形矩阵，即有：
As＝TLATR
Bs＝TLB
Cs＝CTR·
其中，As、Bs、Cs为缩放后的系数矩阵，TL、TR为三角形矩阵。C为状态观测器输出与输入之间的系数矩阵。
本发明实施例中，还可以在极点配置后将导出的增益值用逆矩阵进行缩放。
本发明实施例中，采用三角形矩阵对系数矩阵进行缩放，可以缩小数据范围，降低计算量，提高稳定性。
如图8所示，在上述实施例的基础上，本发明实施例中提供了一种电液伺服系统，包括：电液伺服控制器81以及状态参数确定模块82。状态信息确定模块82包括状态测量器821以及状态观测器822；
电液伺服控制器81的输入端分别与信号产生模块的输出端以及状态参数确定模块82的输出端连接，电液伺服控制器81的输出端分别与液压执行机构3以及状态参数确定模块82的输入端连接；
电液伺服控制器81用于接收所述信号产生模块产生的控制输入信号，并基于所述控制输入信号生成控制输出信号，向液压执行机构3发送控制输出信号；
状态测量器821用于测量液压执行机构3的可测量状态参数，得到可测量状态参数的测量值；
状态观测器822用于基于液压执行机构3的状态空间模型以及可测量状态参数的测量值，观测液压执行机构3的非测量状态参数，得到非测量状态参数的观测值。
具体地，本发明实施例中，状态测量器821是指可以直接获取或测量液压执行机构的相关状态参数的设备，相关状态参数即为可测量状态参数，也即可以直接获取或测量得到的状态参数。状态观测器822是指对于无法直接获取或测量的状态参数进而观测的设备，无法直接获取或测量的状态参数即为非测量状态参数。
电液伺服控制器81需要推导液压执行机构3的状态信息
Figure BDA0003326455000000211
和液压缸的伸缩速度v。由于压力传感器可以很容易地集成在液压泵上或液压阀块上，因此高压和低压回路pa，pb，或pA，pB均可提供。速度传感器可以集成在电机，电机的转速n是众所周知的。其中，压力传感器、速度传感器、电机的控制单元等均为状态测量器821。n、pa，pb均为可测量状态参数。
由于测量油缸速度的速度传感器或行程传感器必须安装在汽缸上，造成维修困难，也不是大多数机器制造商的首选，因此液压缸的伸缩速度vcyl无法通过实际测量得到。此外，由于噪声的存在，测量信号的推导质量会很差，不能满足控制要求。为此，本发明实施例中引入状态观测器，用以基于液压执行机构3的状态空间模型以及可测量状态参数的测量值，观测液压执行机构3的非测量状态参数，得到非测量状态参数的观测值。状态观测器822可以是非线性状态观测器。非测量状态参数即为液压缸的伸缩速度vcyl。
本发明实施例中提供的电液伺服系统中包括的电液伺服控制器以及状态参数确定模块的具体作用参见上述各实施例中示出的内容，此处不再赘述。
本发明实施例中的电液伺服系统，可以实现对液压执行机构的反馈控制，且电液伺服控制器在控制过程中可以消除问题误差并保持参考跟踪，且可以主动抑制激励振荡和可能的负载阶跃，可以更精准的实现对液压执行机构的控制，进而可以极大的提高液压执行机构的性能。
在上述实施例的基础上，本发明实施例中提供的电液伺服系统，所述状态观测器具体包括龙伯格(Luenberger)观测器。
具体地，本发明实施例中，Luenberger观测器的原理图如图9所示，真实系统为液压执行机构，其输入为u，即电机参考转矩T，其输出为y，即状态参数的真实输出值。
状态观测器基于已知的输入、可测量的输出和线性化的状态空间模型，根据输出误差
Figure BDA0003326455000000221
估计非测量状态参数并使其收敛到真实系统的状态。估计的/>
Figure BDA0003326455000000222
和/>
Figure BDA0003326455000000223
可用于电液伺服控制器的状态反馈控制。
Figure BDA0003326455000000224
Figure BDA0003326455000000225
y反映了真实系统的行为，并且应该包含可测量的信号。由于可观察矩阵QB为满秩(＝4)，由此可以证明真实系统是可观察的，定义系数矩阵C有：
Figure BDA0003326455000000226
QB＝[C CA CA2 CA3]T
在上述实施例的基础上，本发明实施例中提供的电液伺服系统，所述状态观测器，具体用于：
基于所述液压执行机构的液压回路结构，构建扰动模型；
基于所述扰动模型，对所述状态空间模型进行更新；
基于更新后的状态空间模型以及所述可测量状态参数的测量值，观测所述非测量状态参数，得到所述非测量状态参数的观测值。
具体地，本发明实施例中，状态观测器对非测量状态参数进行观测时，可以先根据液压执行机构的液压回路结构，构建扰动模型。
通过扰动模型可以粗略估计外负载力FL和闭环回路液压缸的入口以及出口处的补偿流量(Qca，Qcb)。根据液压回路的设计，补偿流量包括通过补偿阀(Qcpa，Qcpb)的流量和从止回阀(Qcva，Qcvb)的流量。为了使估计更准确，扰动模型考虑了实时控制信号(ica，icb)、传感器信号(pa，pb，pc)和阀门规格(Acv，max，Acp(ic))。数学原理如下所示。
FL＝pA·Ahead-pB·Arod
Qca，obsv＝Qcva+Qcpa，Qcb，obsv＝Qcvb+Qcpb
Figure BDA0003326455000000231
Figure BDA0003326455000000232
其中，Acv，max为从止回阀的面积最大值，Acp(ic)为补偿阀的面积，Ahead为液压缸的入口面积，Arod为液压缸的出口面积，Qca,obsv为闭环回路液压缸的入口处的补偿流量观测值，Qcb,obsv为闭环回路液压缸的出口处的补偿流量观测值。
然后根据上述确定的扰动模型，对状态空间模型进行更新，即利用上述的观测值对状态空间模型中的对应值进行替换。
最后，根据更新后的状态空间模型以及可测量状态参数的测量值，即可对非测量状态参数进行观测，得到非测量状态参数的观测值。
本发明实施例中，引入扰动模型，可以更好的模拟真实系统，使得到的非测量状态参数的观测值更加准确。
在上述实施例的基础上，本发明实施例中提供了一种作业机械，包括上述所述的电液伺服系统，用以实现对作业机械内的液压执行机构的状态参数反馈控制。
在上述实施例的基础上，本发明实施例中提供了一种电液伺服控制器的构建装置，包括：
获取模块，用以获取液压执行机构的状态空间模型，并基于所述状态空间模型的系数矩阵，对二阶内模增益单元进行极点配置；
确定模块，用以确定积分增益单元、积分器以及抗饱和单元；
构建模块，用以基于所述积分增益单元、所述积分器、所述抗饱和单元以及所述二阶内模增益单元，结合反馈控制率，构建所述电液伺服控制器。
在上述实施例的基础上，本发明实施例中提供的电液伺服控制器的构建装置，还包括：
缩放模块，用以基于三角形矩阵，对所述系数矩阵进行缩放；
极点配置模块，用以基于缩放后的系数矩阵，对所述二阶内模增益单元进行极点配置。
图10示例了一种电子设备的实体结构示意图，如图10所示，该电子设备可以包括：处理器(processor)1010、通信接口(Communications Interface)1020、存储器(memory)1030和通信总线1040，其中，处理器1010，通信接口1020，存储器1030通过通信总线1040完成相互间的通信。处理器1010可以调用存储器1030中的逻辑指令，以执行上述各方法类实施例提供的电液伺服控制器的构建方法，该方法包括：获取液压执行机构的状态空间模型，并基于所述状态空间模型的系数矩阵，对二阶内模增益单元进行极点配置；确定积分增益单元、积分器以及抗饱和单元；基于所述积分增益单元、所述积分器、所述抗饱和单元以及所述二阶内模增益单元，结合反馈控制率，构建所述电液伺服控制器。
此外，上述的存储器1030中的逻辑指令可以通过软件功能单元的形式实现并作为独立的产品销售或使用时，可以存储在一个计算机可读取存储介质中。基于这样的理解，本发明的技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分或者该技术方案的部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品存储在一个存储介质中，包括若干指令用以使得一台计算机设备(可以是个人计算机，服务器，或者网络设备等)执行本发明各个实施例所述方法的全部或部分步骤。而前述的存储介质包括：U盘、移动硬盘、只读存储器(ROM，Read-Only Memory)、随机存取存储器(RAM，Random Access Memory)、磁碟或者光盘等各种可以存储程序代码的介质。
另一方面，本发明还提供一种计算机程序产品，所述计算机程序产品包括计算机程序，计算机程序可存储在非暂态计算机可读存储介质上，所述计算机程序被处理器执行时，计算机能够执行上述各方法类实施例提供的电液伺服控制器的构建方法，该方法包括：获取液压执行机构的状态空间模型，并基于所述状态空间模型的系数矩阵，对二阶内模增益单元进行极点配置；确定积分增益单元、积分器以及抗饱和单元；基于所述积分增益单元、所述积分器、所述抗饱和单元以及所述二阶内模增益单元，结合反馈控制率，构建所述电液伺服控制器。
又一方面，本发明还提供一种非暂态计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，该计算机程序被处理器执行时实现以执行上述各方法类实施例提供的电液伺服控制器的构建方法，该方法包括：获取液压执行机构的状态空间模型，并基于所述状态空间模型的系数矩阵，对二阶内模增益单元进行极点配置；确定积分增益单元、积分器以及抗饱和单元；基于所述积分增益单元、所述积分器、所述抗饱和单元以及所述二阶内模增益单元，结合反馈控制率，构建所述电液伺服控制器。
以上所描述的装置实施例仅仅是示意性的，其中所述作为分离部件说明的单元可以是或者也可以不是物理上分开的，作为单元显示的部件可以是或者也可以不是物理单元，即可以位于一个地方，或者也可以分布到多个网络单元上。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部模块来实现本实施例方案的目的。本领域普通技术人员在不付出创造性的劳动的情况下，即可以理解并实施。
通过以上的实施方式的描述，本领域的技术人员可以清楚地了解到各实施方式可借助软件加必需的通用硬件平台的方式来实现，当然也可以通过硬件。基于这样的理解，上述技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品可以存储在计算机可读存储介质中，如ROM/RAM、磁碟、光盘等，包括若干指令用以使得一台计算机设备(可以是个人计算机，服务器，或者网络设备等)执行各个实施例或者实施例的某些部分所述的方法。
最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (12)

1.一种电液伺服控制器，其特征在于，包括：
积分单元，所述积分单元的输入端与信号产生模块的输出端连接，所述积分单元的输出端与抗饱和单元的输入端连接，所述积分单元用于接收所述信号产生模块产生的控制输入信号，并基于所述控制输入信号，分别确定二阶内模增益结果以及积分增益结果，所述积分单元还用于基于所述二阶内模增益结果、所述积分增益结果以及积分抗饱和数据，确定积分融合结果；
所述抗饱和单元，所述抗饱和单元的输出端与液压执行机构连接，所述抗饱和单元用于接收所述积分融合结果，基于所述积分融合结果，确定所述积分抗饱和数据，并将所述积分抗饱和数据反馈至所述积分单元，所述抗饱和单元还用于生成控制输出信号，并向所述液压执行机构发送所述控制输出信号。
2.根据权利要求1所述的电液伺服控制器，其特征在于，所述积分单元包括：
二阶内模增益单元，所述二阶内模增益单元的输入端与所述信号产生模块的输出端连接，所述二阶内模增益单元的输出端与积分器的输入端连接，所述二阶内模增益单元用于接收所述控制输入信号，并对所述控制输入信号进行二阶内模增益，得到所述二阶内模增益结果；
积分增益单元，所述积分增益单元的输入端与所述信号产生模块的输出端连接，所述积分增益单元的输出端与所述积分器的输入端连接，所述积分增益单元用于接收所述控制输入信号，并对所述控制输入信号进行积分增益，得到所述积分增益结果；
所述积分器，所述积分器的输出端与所述抗饱和单元的输入端连接，所述积分器用于基于所述二阶内模增益结果、所述积分增益结果以及所述积分抗饱和数据，得到所述积分融合结果。
3.根据权利要求2所述的电液伺服控制器，其特征在于，所述积分单元还包括：
加权单元，所述加权单元的输入端与所述液压执行机构的状态参数确定模块的输出端连接，所述加权单元的输出端与所述积分器的输入端连接，所述加权单元用于对所述状态参数确定模块确定的所述液压执行机构反馈的各状态参数的相关信息进行加权，得到加权相关信息；所述积分器还用于基于所述二阶内模增益结果、所述积分增益结果、所述积分抗饱和数据以及所述加权相关信息，得到所述积分融合结果。
4.根据权利要求3所述的电液伺服控制器，其特征在于，所述积分器包括第一积分器和第二积分器，所述积分单元还包括第一求和单元和第二求和单元，所述加权单元包括第一加权单元，所述相关信息包括一阶导数取值，所述加权相关信息包括所述一阶导数取值的第一加权值；
所述第一积分器的输入端与所述二阶内模增益单元的输出端连接，所述第一积分器的输出端以及所述积分增益单元的输出端均与所述第一求和单元的正向输入端连接，所述第一求和单元的输出端以及所述抗饱和单元的第二输出端均与所述第二求和单元的正向输入端连接；
所述第一加权单元的输入端与所述状态参数确定模块的第一输出端连接，所述第一加权单元的输出端与所述第二求和单元的负向输入端连接；
所述状态参数确定模块用于向所述第一加权单元输入所述一阶导数取值，所述第一加权单元用于确定所述第一加权值。
5.根据权利要求4所述的电液伺服控制器，其特征在于，所述信号产生模块包括第三求和单元，所述加权单元还包括第二加权单元；
所述第三求和单元的正向输入端用于接收所述液压执行机构的目标状态参数的目标值；
所述第二加权单元的输入端与所述状态参数确定模块的第二输出端连接，所述第二加权单元的输出端与所述第三求和单元的负向输入端连接；
所述状态参数确定模块还用于向所述第二加权单元输入所述液压执行机构反馈的各状态参数的观测值，所述第二加权单元用于确定各状态参数的观测值中所述目标状态参数的观测值，所述第三求和单元用于基于所述目标状态参数的目标值以及所述目标状态参数的观测值确定并输出所述控制输入信号。
6.根据权利要求4所述的电液伺服控制器，其特征在于，所述抗饱和单元包括限幅单元、第四求和单元、积分输入调节单元以及二阶内模增益归零单元；
所述第二积分器的输出端分别与所述限幅单元的输入端以及所述第四求和单元的负向输入端连接，所述限幅单元的输出端与所述第四求和单元的正向输入端连接；所述限幅单元的输出端还分别与所述液压执行机构以及所述状态参数确定模块的输入端连接；
所述第四求和单元的输出端与所述积分输入调节单元的输入端连接，所述积分输入调节单元的输出端分别与所述第二求和单元的正向输入端以及所述二阶内模增益归零单元的输入端连接；
所述二阶内模增益归零单元的输出端与所述二阶内模增益单元的输入端连接，所述二阶内模增益归零单元用于在所述第四求和单元的输出结果非零时将所述二阶内模增益单元的增益值归零。
7.一种如权利要求1-6中任一项所述的电液伺服控制器的构建方法，其特征在于，包括：
获取液压执行机构的状态空间模型，并基于所述状态空间模型的系数矩阵，对二阶内模增益单元进行极点配置；
确定积分增益单元、积分器以及抗饱和单元；
基于所述积分增益单元、所述积分器、所述抗饱和单元以及所述二阶内模增益单元，结合反馈控制率，构建所述电液伺服控制器。
8.根据权利要求7所述的电液伺服控制器的构建方法，其特征在于，所述基于所述状态空间模型的系数矩阵，对二阶内模增益单元进行极点配置，之前还包括：
基于三角形矩阵，对所述系数矩阵进行缩放；
基于缩放后的系数矩阵，对所述二阶内模增益单元进行极点配置。
9.一种电液伺服系统，其特征在于，包括：如权利要求1-6中任一项所述的电液伺服控制器、液压执行机构以及状态参数确定模块，所述状态参数确定模块包括状态测量器以及状态观测器；
所述电液伺服控制器的输入端分别与信号产生模块的输出端以及所述状态参数确定模块的输出端连接，所述电液伺服控制器的输出端分别与所述液压执行机构以及所述状态参数确定模块的输入端连接；
所述电液伺服控制器用于接收所述信号产生模块产生的控制输入信号，并基于所述控制输入信号生成控制输出信号，向所述液压执行机构发送控制输出信号；
所述状态测量器用于测量所述液压执行机构的可测量状态参数，得到所述可测量状态参数的测量值；
所述状态观测器用于基于液压执行机构的状态空间模型以及所述可测量状态参数的测量值，观测所述液压执行机构的非测量状态参数，得到所述非测量状态参数的观测值。
10.根据权利要求9所述的电液伺服系统，其特征在于，所述状态观测器具体包括龙伯格观测器。
11.根据权利要求9所述的电液伺服系统，其特征在于，所述状态观测器，具体用于：
基于所述液压执行机构的液压回路结构，构建扰动模型；
基于所述扰动模型，对所述状态空间模型进行更新；
基于更新后的状态空间模型以及所述可测量状态参数的测量值，观测所述非测量状态参数，得到所述非测量状态参数的观测值。
12.一种作业机械，其特征在于，包括：如权利要求9-11中任一项所述的电液伺服系统。
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