技术摘要：
本发明公开了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，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，设计出的控制系统具有控制律、基于Lyapunov稳定性方法的扰动观测器律以及周期性  全部
背景技术：
： 直驱阀门系统是影响航天伺服系统输出性能的主要部件之一，在控  制领域有许 多广泛的应用。采用直驱阀门(DDV，Direct  Drive  Valve) 的电动伺服电机是用于消除系 统对油污灵敏度高、结构复杂的缺点，并  提供了良好的控制输出性能。因此，近年来一系列 先进的控制策略受到  广泛关注。众所周知，PID控制方案在工业控制中应用极其广泛，因为 它 的普及源于其简单的操作、简易的系统结构以及在诸多操作中的适用性。  当系统存在 复杂、时变以及较大扰动时，传统PID控制方案就无法实现 一致的控制性能。 同时，值得一提的是，控制器设计中的震颤问题，即控制系统性能  可能遭受的损 害已经得到广泛研究。为了克服系统外部干扰的影响并获  得高频响应，经过大量的改进后 已经得到了一些令人满意的结果，例如 自适应控制，神经网络控制,模糊控制等。在这些控 制方案中，基于扰动  观测器方法的滑模控制是性能突出的有效解决方案，其可以针对扰动 系 统进行鲁棒控制。然而由于算法复杂度的增加(如模糊控制、神经控制、 时滞控制、预测 控制等)，工业应用的实现难度极大。因此，在直驱阀门  控制系统中，如何选择一个易于实 现的简单鲁棒控制器变得更具挑战性。 另一方面，有时系统模型会因系统状态、控制参数或操作模式改变  而改变。本发 明中，直驱阀门(DDV)伺服控制系统参数具有显著的不确  定性和未知扰动。一些系统状态 的改变会导致齿槽反射和未知流体动力  负载扰动的改变。因此，工作条件和温度变化相当 缓慢。我们可以把这  些变化的系统定义为切换系统。目前，切换系统的工作主要集中在稳 定  性，鲁棒性，可观测性，可控性，切换律(如循环，同步，平均停留时  间，单速率，任意切 换，周期切换律)等。据大众所知，对于直驱阀门控  制系统，在周期切换律下，减少震颤和克 服滑模切换控制方案中扰动的  影响的方法很少。因此对于直驱阀门控制系统在周期切换 律下减少震颤，  克服扰动的方法显得尤为重要，本发明就介绍了这样一种基于降低切换  增益扰动观测器的直驱阀门系统鲁棒切换控制方法。
技术实现要素：
本发明的目的在于提供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，该控制器可以消除系统震颤，降低切换系统的切换增  益，或极大减轻系统 颤动。 为实现上述目的，本发明所采用的技术方案如下： 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，其实  现 包括以下步骤： 5 CN 111610716 A 说　明　书 2/8 页 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 优选的，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，Km是伺服电机的电磁转矩系数，Ce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，Tc 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Tc的一般经验公式可以简化如下: 在上述式子中，Tcm是齿槽转矩的峰值；Nc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, x ]T2 ，则得到系统状态方程: 在上述式子中，x1＝θref-θ是电机转角的误差，θref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 ,x T2) 是已知的系统状态，σ(t):[0 , ∞)是从有限索引集 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。 优选的，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)。 6 CN 111610716 A 说　明　书 3/8 页 基于反馈线性化技术[13,14,29,30-35]，定义控制律如下: u＝us＝ψ·x1 Kf·sgn(s)   (6) s＝cx1 x2   (7) 上述式子中，Kf为系统增益，c为一常数，m＝bi-ci,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) Kf＞|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Kf。当干扰较大时，增益Kf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di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 us                                         (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: 7 CN 111610716 A 说　明　书 4/8 页 从式(17)中，扰动项的变化 如果能实现 增益Kf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)，...，(ik，tk)，...，|ik∈Ξ，k∈N}           (18) 其中，(ik,tk)表示第ik个子系统在tk时刻开启，第ik 1个子系统在tk 1时刻关 闭。t0 是初始时间，tk＞0是第k个切换时间。当t∈[tk,tk 1)，切换系统(1)的轨  迹由第ik 1个子系 统表示，定义Δtk＝tk-tk-1为第ik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∈(tk-1,tk]∈Ωm(m∈Ξ)和t∈(tk,tk 1]∈Ωm 1,有常数0≤μ≤1，使得 |s(tk 1)|≤μ·|s(tk)|     (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) 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。 进一步地，前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，通过反馈线性化技术设计线性鲁棒控制律使得系统在直驱阀门系统的齿  槽反射和 未知流体动力负载扰动的不确定性的情况下，将这些变化的系统定义为  切换系统，设计切 换控制器并引入周期切换律，并通过Lyapunov稳定性方法和  采用带有扰动观测器的鲁棒 切换控制器的方式，使得到的闭环切换系统是鲁棒性  稳定的，从而该直驱伺服控制系统的 所得闭环切换系统中的所有信号保持有界， 并且可以达到切换系统的滑模表面。 有益效果： 本发明提出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，与现有技术相比，其显著优点在于： (1)设计了一种带扰动观测器的鲁棒滑模切换控制，用于估计直驱阀门控制系  统 的强鲁棒性外部干扰。 (2)为了克服系统外部扰动的影响，鲁棒切换控制器、周期切换律和Lyapunov  稳 定性方法确保了闭环切换系统鲁棒稳定，并能很好地获得控制系统的滑模面。 (3)所提出的鲁棒切换控制方案具有震颤小、滑模控制鲁棒性强的优点。 8 CN 111610716 A 说　明　书 5/8 页 附图说明： 图1是本发明的直驱阀门系统鲁棒切换控制方法流程示意图。