首页 > 专利技术

气液混合式快速起竖闭环控制系统及其鲁棒控制方法

1.本发明涉及特种工程车辆液压技术，具体涉及一种气液混合式快速起竖闭环控制系统及其鲁棒控制方法。
技术背景
2.大型起竖设备的起竖时间影响其快速反应能力。现有技术中，起竖系统通常为液压阀控系统，由于液压阀的节流作用导致起竖系统效率低，系统发热严重，严重影响起竖系统的节能性和可靠性。传统的起竖策略多采用开环控制，控制精度不高，无法对要求快速起竖的大负载设备起到良好的控制效果。
3.针对上述问题本发明提出一种高压气瓶与活塞式蓄能器组成的蓄能器组与电控泵闭式系统混合的快速起竖技术。基于电控泵闭式系统的电液伺服系统采用永磁同步伺服电机直接驱动液压泵为起竖液压缸提供流量，具有功率密度大、体积重量小、效率高等优点，同时采用高压气瓶与活塞式蓄能器组成辅助动力源可有效减小电控泵系统体积，满足系统瞬时超大功率的能量需求，有效解决了传统阀控环节存在的起竖时间长，系统体积大，液压阀的油液泄漏以及效率低等问题。采用闭环控制方法使液压缸起竖角度跟踪期望的角度，可精确控制起竖角度，使起竖过程更加平稳，更加安全。气液混合式快速起竖系统是高度非线性的系统，主要表现在液压缸活塞的位移与起竖负载的转角之间的非线性关系、重力矩非线性、摩擦非线性、外干扰等不确定性非线性等。为满足气液混合式快速起竖系统高精度控制技术发展需求，必须着重考虑非线性特性对控制性能的影响，因此，本发明提出一种鲁棒控制方法，获得了更好的跟踪性能。

技术实现要素：

4.本发明的目的在于提供一种气液混合式快速起竖闭环控制系统及其鲁棒控制方法，在起竖系统存在未建模的摩擦非线性和系统外部干扰的情况下，可以保证在连续控制输入下获得有界稳定的跟踪性能。保证起竖过程的平稳性和可靠性，提高起竖过程角度跟踪精准性。
5.实现本发明目的的技术解决方案为：一种气液混合式快速起竖闭环控制系统包括气液混合式快速起竖液压系统、dsp控制器、驱动器、总线耦合器、编码器、上位机，具有快速起竖、闭环反馈控制、蓄能器充液、蓄能器冲击保护、限位保护、上位机操作及数据存储功能。
6.所述气液混合式快速起竖闭环控制系统的鲁棒控制方法，调节伺服电机转速直接驱动液压泵输出流量，提高起竖过程的闭环控制精度，该方法是针对如下问题提出的：传统起竖系统多为阀控液压系统且开环控制，系统的未知干扰没有在传统起竖过程中抑制，系统鲁棒性较差，而蓄能器加电控泵系统具有满足瞬时超大功率的能量需求的优势，并提出鲁棒控制方法有效可很好的解决以上问题。本发明保证了起竖过程的平稳性、可靠性，提高了起竖角度跟踪精准性。
7.本发明与现有技术相比，其显著优点在于：(1)采用蓄能器辅助动力源与电控泵闭式系统结合的气液混合式快速起竖系统，满足起竖机构瞬时超大功率的能量需求，缩短了起竖时间，提高了起竖系统效率。(2)具有快速起竖、闭环反馈控制、蓄能器充液、蓄能器冲击保护、限位保护功能，实现对气液混合式快速起竖系统过程可控及安全管理，上位机操作模块及数据存储功能方便人员发出起竖指令及查看起竖系统运行状态，提高了气液混合式快速起竖系统的安全性和人机交互性。(3)采用鲁棒控制的闭环控制策略，有效地解决了基于气液混合式快速起竖闭环控制系统的电液伺服系统未建模的摩擦非线性和系统外部干扰的控制问题，提高起竖过程角度跟踪精准性，获得了很好的跟踪性能，仿真结果验证了其有效性。
附图说明
8.图1是气液混合式快速起竖闭环控制系统液压回路。
9.图2是气液混合式快速起竖闭环控制系统控制器结构。
10.图3是气液混合式快速起竖控制系统控制流程示意图。
11.图4是气液混合式快速起竖闭环控制系统机械结构示意图
12.图5是气液混合式快速起竖鲁棒控制结构图。
13.图6是气液混合式快速起竖控制系统起竖角度跟踪曲线图。
14.图7是气液混合式快速起竖控制系统起竖角度跟踪误差曲线图。
具体实施方式
15.下面结合附图及具体实施例对本发明作进一步详细说明。其中，附图构成本技术一部分，并与本发明的实施例一起用于阐释本发明的原理，并非用于限定本发明的范围。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有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。
16.本发明实施例提供了一种气液混合式快速起竖闭环控制系统，具体说明如下：
17.一种气液混合式快速起竖系统液压回路如图1所示，包括第一液压源1、第二液压源2、蓄能器辅助动力源3、蓄能器控制阀组4、蓄能器保护阀组5、系统保护阀组6、四级液压缸7、油箱8、油箱温度传感器9、第一补油压力传感器 10、第二补油压力传感器11、蓄能器压力传感器12、油缸无杆腔压力传感器13、油缸有杆腔压力传感器14、四级液压缸角度编码器、第一永磁同步伺服电机编码器、第二永磁同步伺服电机编码器、上位机、dsp控制器、驱动器、总线耦合器。其中：第一液压源1和第二液压源2通过管路连接，第一液压源1通过管路分别与蓄能器控制阀组4、系统保护阀组6连接，第二液压源2通过管路经蓄能器保护阀组5与蓄能器控制阀组4连接，第二液压源2通过管路与系统保护阀组 6连接，蓄能器辅助动力源3通过管路与蓄能器控制阀组4连接，蓄能器保护阀组5通过管路与系统保护阀组6连接，系统保护阀组6通过管路与四级液压缸7 连接，油箱8通过管路同时与第一液压源1、第二液压源2、蓄能器辅助动力源 3、蓄能器控制阀组4和系统保护阀组6连接，油箱温度传感器9设置在油箱8 中，第一补油压力传感器10设置在第一液压源1上，第二补油压力传感器11设置在第二液压源2上，蓄能器压力传感器12设置在蓄能器辅助动力源3上，四级液压缸无杆腔压力传感器13设置在系统保护阀组6上，四级液压缸有杆腔压力传感器14设置在系统保护
阀组6上，四级液压缸角度编码器设置于四级液压缸7回转轴上。第一永磁同步伺服电机编码器设置在第一液压源1上，第二永磁同步伺服电机编码器设置在第二液压源2上。
18.所述第一液压源1包括第一永磁同步伺服电机1a、第一双向闭式液压泵1b、第一补油单向阀1c。第一永磁同步伺服电机1a同轴连接第一双向闭式液压泵1b，第一双向闭式液压泵1b的a口通过管路分别与蓄能器控制阀组4、系统保护阀组6及四级液压缸7连接，为系统提供负载所需的压力与流量，第一双向闭式液压泵1b的b口通过第一补油单向阀1c与油箱8连接，油箱8起到储存液压油及散热的作用，第一补油压力传感器10设置于第一双向闭式液压泵1b的b口处，用来监测第一双向闭式液压泵1bb口处的实时压力。第一永磁同步伺服电机编码器设置在第一永磁同步伺服电机1a上。
19.所述第二液压源2包括第二永磁同步伺服电机2a、第二双向闭式液压泵2b、第二补油单向阀2c。第二永磁同步伺服电机2a同轴连接第二双向闭式液压泵2b，第二双向闭式液压泵2b的a口通过管路分别与蓄能器控制阀组4、系统保护阀组6及四级液压缸7连接，为系统提供负载所需的压力与流量，第二双向闭式液压泵2b的b口通过第二补油单向阀2c与油箱8连接，第二补油压力传感器11 设置于第二双向闭式液压泵2b的b口处，用来监测第二双向闭式液压泵2bb口处的实时压力。第二永磁同步伺服电机编码器设置在第二永磁同步伺服电机2a 上。
20.所述蓄能器辅助动力源3包括高压气瓶3a、蓄能器溢流阀3b、活塞式蓄能器3c、手动开关阀3d。高压气瓶3a经手动开关阀3d通过管路与活塞式蓄能器 3c连接，活塞式蓄能器3c通过管路与蓄能器控制阀组4及蓄能器保护阀组5连接，蓄能器溢流阀3b串联在活塞式蓄能器3c和油箱8之间，是蓄能器辅助动力源3的安全阀，蓄能器压力传感器12串联在高压气瓶3a的出口与活塞式蓄能器 3c间，检测活塞式蓄能器3c的气腔压力。
21.所述蓄能器控制阀组4包括第一插装阀4a、第二插装阀4b、第一电磁换向阀4c、第二电磁换向阀4d。第一电磁换向阀4c的p口与第一插装阀4a的b口连通，第一电磁换向阀4c的a口与第一插装阀4a的c口连通，第一电磁换向阀4c的t口通过管路接回油箱8，第一电磁换向阀4c用来控制第一插装阀4a 的开闭。第二电磁换向阀4d的p口与第二插装阀4b的b口连通，第二电磁换向阀4d的a口与第二插装阀4b的c口连通，第二电磁换向阀4d的t口通过管路接油箱8，第二电磁换向阀4d用来控制第二插装阀4b的开闭。第一插装阀4a 的b口通过管路与第二插装阀4b的a口连通，第一插装阀4a的a口通过管路与第一双向闭式液压泵1b的a口连通，第二插装阀4b的b口通过管路与第二双向闭式液压泵2b的a口连通，并与系统保护阀组6连通，第二插装阀4b的a 口通过管路与活塞式蓄能器3c连通，蓄能器控制阀组4用来控制蓄能器辅助动力源3的充放油进程。
22.所述蓄能器保护阀组5包括第三电磁换向阀5a、第四电磁换向阀5b。第三电磁换向阀5a的p口与第二插装阀4b的a口连通，第三电磁换向阀5a的a口与第四电磁换向阀5b的p口连通，并与活塞式蓄能器3c连通，第四电磁换向阀5b的a口通过管路与第二插装阀4b的b口连通，并与第二双向闭式液压泵2b 的a口、系统保护阀组6连通，蓄能器保护阀组5用来控制蓄能器开启时放液速度以减缓高压油液对系统的冲击。
23.所述系统保护阀组6包括第一液控方向阀6a、第二液控方向阀6b、第一平衡阀6c、第二平衡阀6d、第一溢流阀6e和第二溢流阀6f。第一液控方向阀6a 的a口与第二平衡阀6d的c口连通，第一液控方向阀6a的t口通过管路接油箱8。第二液控方向阀6b的a口与第一平
衡阀6c的c口连通，第二液控方向阀 6b的t口通过管路接回油箱8，第一平衡阀6c和第二平衡阀6d用于减小起竖过重心后的压力突变，同时保证回平时的系统安全。第一溢流阀6e串联在四级液压缸7无杆腔与油箱8之间，限制四级液压缸7无杆腔的工作压力。第二溢流阀 6f串联在四级液压缸7有杆腔与油箱8之间，限制四级液压缸7有杆腔的工作压力。第一液控方向阀6a的p口、第一平衡阀6c的a口、第一溢流阀6e的a 口分别对应与第一双向闭式液压泵1b的a口、第二双向闭式液压泵2b的a口和四级液压缸7的无杆腔连通，第二液控方向阀6b的p口、第二平衡阀6d的a 口、第二溢流阀6f的a口分别对应与第一双向闭式液压泵1b的b口、第二双向闭式液压泵2b的b口和四级液压缸7的有杆腔连通。四级液压缸无杆腔压力传感器13接在第一溢流阀6e的a口处，用于检测四级液压缸7无杆腔压力，四级液压缸有杆腔压力传感器14接在第二溢流阀6f的a口处检测四级液压缸7 无杆腔压力。
24.上述第一电磁换向阀4c、第二电磁换向阀4d均为二位三通电磁换向阀，控制其所接通的插装阀的开闭，当电磁换向阀的a口与t口连通时，插装阀打开。当电磁换向阀的p口与a口连通时，插装阀关闭。
25.第一液压源1和第二液压源2可以单独实现系统的起竖，在蓄能器辅助动力源3故障时也可以仅依靠第一液压源1和第二液压源2实现起竖动作，实现了冗余安全保障设计，同时第一液压源1也可以为活塞式蓄能器3a充油，提高了系统的使用效率。
26.以上为气液混合式快速起竖系统液压系统说明。下面为气液混合式快速起竖闭环控制系统控制器结构说明，如图2所示。
27.所述气液混合式快速起竖闭环控制系统控制器结构包括dsp控制器、驱动器、总线耦合器、编码器、上位机。油箱温度传感器9、第一补油压力传感器10、第二补油压力传感器11、蓄能器压力传感器12、四级液压缸无杆腔压力传感器 13、四级液压缸有杆腔压力传感器14与总线耦合器连接，总线耦合器再与驱动器连接，第一永磁同步伺服电机编码器、第二永磁同步伺服电机编码器与驱动器连接，驱动器分别与第一液压源1中第一永磁同步伺服电机1a、第二液压源2 中第二永磁同步伺服电机2a连接，四级液压缸角度编码器与dsp控制器连接， dsp控制器与驱动器连接，dsp控制器与上位机连接。总线耦合器型号为il cobk-pac，dsp控制器型号为ti公司的tms320c28346芯片。
28.该系统具有快速起竖、闭环反馈控制、蓄能器充液、蓄能器冲击保护、限位保护、上位机操作及数据存储功能。
29.所述气液混合式快速起竖闭环控制系统的快速起竖功能如下：
30.起竖开始，上位机发送起竖指令，dsp控制器控制第一永磁同步伺服电机 1a驱动第一双向闭式液压泵1b工作、第二永磁同步伺服电机2a驱动第二双向闭式液压泵2b工作，第一双向闭式液压泵1b、第二双向闭式液压泵2b的油液进入四级液压缸7的无杆腔，活塞式蓄能器3c的高压油液先经过蓄能器保护阀组5进入四级液压缸7的无杆腔，在第二插装阀4b打开后关闭蓄能器保护阀组 5，活塞式蓄能器3c的高压油液经第二插装阀4b进入四级液压缸7的无杆腔，推动四级液压缸7活塞杆快速伸出，从而实现快速起竖。四级液压缸7有杆腔油液回到第一双向闭式液压泵1b、第二双向闭式液压泵2b的b口，形成一个闭式回路。
31.所述气液混合式快速起竖闭环控制系统的闭环反馈控制功能如下：
32.四级液压缸7的四级液压缸角度编码器采集的数字信号以can总线的通信方式发送到dsp控制器中，第一永磁同步伺服电机编码器、第二永磁同步伺服电机编码器采集的数
字信号，先发送到驱动器，再以can总线的通信方式发送到dsp控制器中。将油箱温度传感器9采集的模拟信号、第一补油压力传感器 10采集的模拟信号、第二补油压力传感器11采集的模拟信号、蓄能器压力传感器12采集的模拟信号、四级液压缸无杆腔压力传感器13采集的模拟信号、四级液压缸有杆腔压力传感器14采集的模拟信号经总线耦合器转换为数字信号，并以can总线的通信方式将数字信号发送到dsp控制器中，在dsp控制器中对数字信号进行控制算法解算，得到永磁同步伺服电机控制电压u，再以can总线的通信方式发送到驱动器中，驱动器控制第一液压源1中的第一永磁同步伺服电机1a、第二液压源2中的第二永磁同步伺服电机2a转速，为系统提供负载所需流量，继而控制四级液压缸7的起竖角度，从而构成闭环反馈控制。
33.气液混合式快速起竖闭环控制系统的蓄能器充液功能说明如下：
34.起竖开始前，打开手动开关阀3d，上位机发送蓄能器充液指令，dsp控制器控制第一插装阀4a开启，第二插装阀4b关闭，蓄能器保护阀组5关闭，第一永磁同步伺服电机1a驱动第一双向闭式液压泵1b工作，油液经过第一插装阀 4a流向活塞式蓄能器3c，为蓄能器辅助动力源3充液，由蓄能器压力传感器12 监测蓄能器辅助动力源3压力，达到所需压力后关闭第一插装阀4a和第一永磁同步伺服电机1a。
35.所述气液混合式快速起竖闭环控制系统的蓄能器冲击保护功能如下：
36.关闭第一插装阀4a，蓄能器辅助动力源3开始放液时，蓄能器保护阀组5 中第三电磁换向阀5a开启，第四电磁换向阀5b由关闭状态经0.5s完全开启，使蓄能器辅助动力源3放出的高压油液先经过蓄能器保护阀组5至四级液压缸7 的无杆腔，在第四电磁换向阀5b完全开启后第二插装阀4b开启，此时将第三电磁换向阀5a关闭，油液全部经过第二插装阀4b至四级液压缸7的无杆腔。蓄能器冲击保护功能用来控制蓄能器辅助动力源3开启时放液速度以减缓高压油液对系统的冲击。
37.所述气液混合式快速起竖闭环控制系统的限位保护功能如下：
38.当四级液压缸角度编码器采集的四级液压缸7起竖角度为第四级展开角度时，dsp控制器以can总线的通信方式发送指令关闭蓄能器控制阀组4中的第二插装阀4b以结束蓄能器辅助动力源3的放油进程，仅依靠第一液压源1、第二液压源2完成起竖，防止过重心时对四级液压缸7冲击，当四级液压缸角度编码器采集的四级液压缸7起竖角度大于87
°
时，dsp控制器以can总线的通信方式发送指令使第一永磁同步伺服电机1a、第二永磁同步伺服电机2a停止工作，防止四级液压缸7过冲。
39.所述气液混合式快速起竖闭环控制系统的上位机操作及数据存储功能如下：
40.上位机采用以太网udp通信协议与dsp控制器之间进行报文传输，上位机包括开环起竖、闭环起竖、回收、蓄能器充放液、电机使能和急停指令功能及信号收集窗口。起竖过程中的油箱温度传感器9采集的信号、第一补油压力传感器 10采集的信号、第二补油压力传感器11采集的信号、蓄能器压力传感器12采集的信号、四级液压缸无杆腔压力传感器13采集的信号、四级液压缸有杆腔压力传感器14采集的信号、四级液压缸角度编码器采集的信号、第一永磁同步伺服电机编码器采集的信号、第二永磁同步伺服电机编码器采集的信号均通过 can总线的通信方式发送到dsp控制器中，再通过以太网udp通信方式发送到上位机中储存。
41.所述气液混合式快速起竖系统的主程序部分首先实现系统内核、中断向量、 gpio
口、can以及定时器的初始化。随后对系统进行自检，若自检出现问题则反馈故障问题，若自检正常，则启动定时器。主程序在完成了初始化和自检，操作上位机发出指令，dsp控制器根据不同上位机操作发送对应控制信号，同时采集油箱温度传感器9信号、第一补油压力传感器10信号、第二补油压力传感器 11信号、蓄能器压力传感器12信号、四级液压缸无杆腔压力传感器13信号、四级液压缸有杆腔压力传感器14信号、四级液压缸角度编码器信号、第一永磁同步伺服电机编码器信号、第二永磁同步伺服电机编码器信号。当四级液压缸7 起竖角度为最后一级展开角度时，dsp控制器发送关闭第二插装阀4b指令，结束蓄能器辅助动力源3的放油进程，当四级液压缸7起竖角度大于87
°
时，dsp 控制器发送关机指令，起竖过程中将采集的数据保存至上位机。系统控制流程如图3所示。
42.本发明实施例提供了一种气液混合式快速起竖闭环控制系统的鲁棒控制方法，具体实施方式如下：
43.步骤1、操作上位机发送起竖指令，dsp控制器通过can总线发送指令，第一永磁同步伺服电机(1a)、第二永磁同步伺服电机(2a)初始转速500rpm，同时第三电磁换向阀(5a)打开，蓄能器辅助动力源(3)开始放液，第四电磁换向阀(5b) 由关闭状态经0.5s完全开启，在第四电磁换向阀(5b)完全开启后第二电磁换向阀 (4d)的a口与t口连通，第二插装阀(4b)打开，此时将第三电磁换向阀(5a)关闭，转入步骤2；
44.步骤2、四级液压缸角度编码器采集的数字信号以can总线的通信方式发送到dsp控制器中，第一永磁同步伺服电机编码器、第二永磁同步伺服电机编码器采集的数字信号，先发送到驱动器，再以can总线的通信方式发送到dsp 控制器中。油箱温度传感器9采集的模拟信号、第一补油压力传感器10采集的模拟信号、第二补油压力传感器11采集的模拟信号、蓄能器压力传感器12采集的模拟信号、四级液压缸无杆腔压力传感器13采集的模拟信号、四级液压缸有杆腔压力传感器14采集的模拟信号经过总线耦合器将模拟信号转换为数字信号，再以can总线的通信方式将数字信号发送到dsp控制器中。在dsp控制器中将采集到的四级液压缸无杆腔压力传感器13采集的信号、四级液压缸有杆腔压力传感器14采集的信号、四级液压缸角度编码器采集的信号通过鲁棒控制器解算，得到永磁同步伺服电机控制电压u。将永磁同步伺服电机控制电压u通过 can总线发送到驱动器，驱动器控制第一液压源1中的第一永磁同步伺服电机 1a、第二液压源2中的第二永磁同步伺服电机2a转速，继而控制四级液压缸7 按照期望的角度起竖，
45.结合图4～5，对步骤2中的鲁棒控制器的设计方法说明，步骤如下：
46.步骤2-1，建立气液混合式快速起竖系统的数学模型，转入步骤2-2。
47.步骤2-1-1：气液混合式快速起竖系统采用三铰点直推式布局，系统的力矩平衡方程：
[0048][0049]
式(1)中，m为起竖负载的质量。j为起竖负载相对回转轴的等效转动惯量。θ为四级液压缸7的起竖角度。为起竖角度的二阶导，即起竖角加速度。g为重力加速度。l3为液压缸上支点到回转轴的距离。l4为负载质心到回转轴的距离。β0为负载质心到回转轴的水平夹角。α为液压缸的上下支点连线与上支点到回转轴连线的夹角。f为四级液压缸7作用在起竖机构上的驱动力，即四级液压缸7推力。
[0050]
根据余弦定理，计算得到：
[0051][0052]
式(2)中，l为四级液压缸7的上下支点距离。l1为四级液压缸7的下支点到回转轴的距离。l3为四级液压缸7的上支点到回转轴的距离。θ0为四级液压缸7的下支点到回转轴的水平夹角。
[0053]
再由正弦定理，得：
[0054][0055]
根据式(1)、(2)、(3)，计算得到四级液压缸7推力f为：
[0056][0057]
x
p
为四级液压缸7活塞位移，其计算式为
[0058][0059]
式中，l2为四级液压缸7的初始安装距离。
[0060]
因此四级液压缸7活塞位移随起竖角度的变化率为：
[0061][0062]
步骤2-1-2：为了便于气液混合式快速起竖系统数学模型的建立，作出如下假设：
[0063]
假设1：油液的体积弹性模量为常数。
[0064]
假设2：忽略管道压力损失。
[0065]
根据牛顿第二定律，得系统负载动力学方程：
[0066][0067]
式(7)中，a1为四级液压缸7无杆腔的实际有效作用面积。a2为四级液压缸 7有杆腔的实际有效作用面积。p1为四级液压缸7无杆腔的压力。p2为四级液压缸7有杆腔的压力。为负载起竖角速度。b为粘性摩擦系数。表征的是库伦摩擦力矩，af为库仑摩擦的幅值，sf(
·
)为连续的近似库伦摩擦形状函数。t为起竖系统的时间常量。d1(t)为系统未知干扰项，包括未建模的摩擦非线性和系统外部干扰。
[0068]
考虑油液压缩性，四级液压缸7无杆腔压力p1和有杆腔压力p2动态方程为：
[0069][0070]
式(8)中，为四级液压缸7无杆腔压力变化率，为四级液压缸7有杆腔压力变化率，四级液压缸7无杆腔的容积v1＝v
01
+a1x
p
，四级液压缸7有杆腔的容积v2＝v
02-a2x
p
，其中v01
为四级液压缸7有杆腔的初始容积，v
02
为四级液压缸7无杆腔的初始容积。βe为液压油的弹性模量。c
t
为四级液压缸7内泄漏系数。q1为四级液压缸7进油量，q2为四级液压缸7的回油量。四级液压缸7无杆腔实际有效作用面积a1、四级液压缸7有杆腔实际有效作用面积a2分别被定义为
[0071][0072]
式(9)中，a
11
、a
21
分别表示四级液压缸7第一级无杆腔与有杆腔有效作用面积，a
12
、a
22
分别表示四级液压缸7第二级无杆腔与有杆腔有效作用面积，a
13
、 a
23
分别表示四级液压缸7第三级无杆腔与有杆腔有效作用面积，a
14
、a
24
分别表示四级液压缸7第四级无杆腔与有杆腔有效作用面积。l1、l2、l3、l4分别表示第一级、第二级、第三级、第四级液压缸行程。
[0073]
基于气液混合式快速起竖液压系统原理，得到四级液压缸7无杆腔流量q1与有杆腔流量q2关系为
[0074][0075]
式(10)中，q
p1
＝-q
p2
＝q
p
，由于第一双向闭式液压泵1b与第二双向闭式液压泵2b规格相同，q
pump
为一个双向闭式液压泵的计算流量，相同的转速下 q
p
＝2q
pump
，q
p
为两个双向闭式液压泵的总计算流量，q
p1
为两个双向闭式液压泵的总出油流量，q
p2
为两个双向闭式液压泵的总吸油流量，q
acc
为活塞式蓄能器3c经第二插装阀4b出口的流量，均下文给出。qc为两个补油单向阀的总补油流量；
[0076][0077]
式(11)中，sm(
·
)为中间函数，起竖过程中
[0078]
正常工作时，溢流阀压力保持在预设值，因此通过第一溢流阀6e的流量q
r1
、第二溢流阀6f的流量q
r2
为0。则式(10)改写成
[0079][0080]
由于永磁同步伺服电机的频响远高于系统的工作频率，因此将永磁同步伺服电机
的动态简化成比例环节
[0081]
ω
p
＝k
p
u(13)
[0082]
式(13)中，ω
p
为双向闭式液压泵角速度。u为永磁同步伺服电机控制电压，即鲁棒控制器。k
p
为电机的转速增益系数。
[0083]
双向闭式液压泵的输出流量与永磁同步伺服电机转速有关，而转速又与控制电压成正比。因此双向闭式液压泵的计算流量q
pump
为
[0084]qpump
＝d
p
ω
p
＝d
pkp
u(14)
[0085]
式(14)中：d
p
为双向闭式液压泵的排量。
[0086]
系统的压力动态方程为
[0087][0088]
步骤2-1-3：设(p
a0
,v
a0
)为气腔初始工作状态，p
a0
为活塞式蓄能器3c气腔部分的初始充气压力，v
a0
为活塞式蓄能器3c气腔初始容积，(pa,va)为气腔任意工作状态，pa活塞式蓄能器3c气腔部分的充气压力，va活塞式蓄能器3c气腔容积，则根据气体状态方程有
[0089]
p
a0va0k
＝p
avak
＝c(16)
[0090]
k表示气体指数，绝热过程为1.4，c表示常数。
[0091]
在活塞式蓄能器3c气腔容积和高压气瓶3a预充压力固定的情况下，活塞式蓄能器3c调节的流量和容积仅依赖于活塞式蓄能器3c与四级液压缸7无杆腔压力的压差。因为活塞式蓄能器3c气腔压力pa和液腔压力pe相等，即pa＝pe，得：
[0092][0093]
活塞式蓄能器3c输出流量qa与气腔容积va关系表示为：
[0094]va
＝∫qadt(18)
[0095]
活塞式蓄能器3c流入系统的流量和活塞式蓄能器3c输出流量qa的关系表示为
[0096][0097]
式(19)中ve为活塞式蓄能器3c内液体任意时刻的体积，ve＝-∫q
acc
dt。
[0098]
活塞式蓄能器3c经第二插装阀4b流出的流量表示为
[0099][0100]
其中，q
acc
为活塞式蓄能器3c经第二插装阀4b流出的流量，cq为第二插装阀4b的流量系数，a为第二插装阀4b的过流面积。ρ为油液密度。
[0101]
步骤2-2，根据气液混合式快速起竖系统的数学模型，设计鲁棒控制器，转入步骤2-3。
[0102]
步骤2-2-1：定义状态空间变量其中x1为起竖系
统四级液压缸7角度位置变量，起竖系统四级液压缸7角速度变量起竖系统四级液压缸7角速度变量为起竖系统四级液压缸7角加速度变量，x3为压力变量，为四级液压缸7推力变化速率，得到基于气液混合式快速起竖闭环控制系统的状态空间方程为：
[0103][0104]
式(21)中，中间变量函数中间变量函数中间变量函数中间变量函数中间变量函数中间变量函数中间变量函数中间变量函数中间变量函数
[0105]
在设计控制器之前，进行如下合理假设：
[0106]
假设3：系统的参考角度指令x
1d(t)
是三阶连续可微的，并且系统期望的角度指令、角速度指令和角加速度指令都是有界的。
[0107]
假设4：系统未知干扰项的中间变量函数足够d(t)光滑且有界，即
[0108]
|d(t)|≤δ1(22)式中上限δ1为已知的正数。
[0109]
步骤2-2-2：定义系统的角度跟踪误差z1＝x
1-x
1d
，x
1d
是系统期望跟踪的角度指令，为x
1d
的期望速度，为x
1d
的期望加速度，定义α1为状态x2的虚拟控制律，α1与x2之间的第二通道误差z2＝x
2-α1，对z1求导，得：
[0110][0111]
设计虚拟控制律
[0112][0113]
则
[0114][0115]
式(25)中，为中间变量，可调控制增益k1＞0。使z2趋向于0就有z1趋向于0。所以下面目标为让z2趋向于0。根据式(21)和z2的定义，得到
[0116][0117]
式(26)中，为中间变量，为中间变量。
[0118]
根据中间变量函数g1(x1)的定义可知在俯仰角度范围内g1(x1)＞0恒成立，且由于
g1(x1)＞0，因此在俯仰角度范围内，其还有如下性质：
[0119]g1min
≤g1(x1)≤g
1max
(27)
[0120]g1min
和g
1max
分别表示中间变量函数g1(x1)的最小值和最大值。
[0121][0122]
定义α2为状态x3的虚拟控制律，α2与x3之间的第三通道误差z3＝x
3-α2，虚拟控制函数α2设计为
[0123]
α2＝-k2z2(29)
[0124]
由于g1(x1)、g2(x1)、g3(x1,x2)、g4(x1,x2)、d(t)均有界，定义
[0125][0126]
其中，m1表示第二通道集总干扰项。表示m1的最大值。
[0127][0128]
式(30)中，可调控制增益k2＞0，-k2z2为鲁棒控制项。
[0129]
步骤2-2-3：对z3求时间的导数得
[0130][0131]
式(31)中，为中间变量，为中间变量。
[0132]
由于g5(x1)、g6(x1,x2)、g7(x1,x3)、g8(x1,x3)均有界，定义
[0133][0134]
其中，m2表示第三通道集总干扰项。表示m2的最大值。
[0135]
基于上述设计最终的鲁棒控制器表示为
[0136][0137][0138]
式(33)中，为中间变量，可调控制增益k3＞0。-k3z3为鲁棒控制项。
[0139]
步骤2-3，运用李雅普诺夫稳定性理论对气液混合式快速起竖系统的鲁棒控制器进行稳定性证明，得到系统有界稳定的结果。具体如下：
[0140]
定理1：基于式(24)、式(29)、式(32)和假设3，选取足够大的可调控制增益k1,k2,k3使得如下定义的矩阵λ正定
[0141][0142]
则所有的系统信号都是有界的。
[0143]
证明：定义lyapunov函数
[0144][0145]
对v求导，可得
[0146][0147]
由杨氏不等式
[0148][0149]
令中间函数
[0150][0151]
其中中间变量z＝[z1,z2,z3]
t
。
[0152]
则式(38)改写成
[0153][0154]
其中λ
min
(λ)为正定矩阵λ的最小特征值。
[0155]
[0156]
因此，系统有界稳定，当时间趋于无穷时，且其界为因此所有的误差信号都是有界的。
[0157]
步骤3、当四级液压缸角度编码器采集的四级液压缸7起竖角度为第四级展开角度时，dsp控制器以can总线的通信方式发送指令关闭蓄能器控制阀组 4中的第二插装阀4b以结束蓄能器辅助动力源3的放油进程，仅依靠第一液压源1、第二液压源2完成起竖，当四级液压缸角度编码器采集的四级液压缸7起竖角度大于87
°
时，dsp控制器以can总线的通信方式发送指令使第一永磁同步伺服电机1a、第二永磁同步伺服电机2a停止工作。起竖过程中的油箱温度传感器9信号、第一补油压力传感器10采集的信号、第二补油压力传感器11信号、蓄能器压力传感器12采集的信号、四级液压缸无杆腔压力传感器13采集的信号、四级液压缸有杆腔压力传感器14采集的信号、四级液压缸角度编码器采集的信号、第一永磁同步伺服电机编码器采集的信号、第二永磁同步伺服电机编码器采集的信号通过can总线的通信方式将数字信号发送到dsp控制器中，再通过以太网udp通信方式发送到上位机中储存。
[0158]
实施例
[0159]
为验证所设计的控制器的性能，取如下部分参数对气液混合式快速起竖系统进行仿真计算：
[0160]v01
＝8e-4m3，v
02
＝1.1e-2m3，a
01
＝8e-2m2，a
02
＝9.4e-3m3， l1＝l2＝l3＝l4＝1.15m，m＝30t，j＝1.4e6kg m2，l1＝3m，l2＝2.5m， l3＝5m，l4＝6m，af＝3000n m，βe＝700mpa， c
t
＝2.34e-12m5/n/s，k
p
＝31.42，d
p
＝2.87e-5m3/rad，p
a0
＝28mpa， v
a0
＝120l
[0161]
取鲁棒控制参数：k1＝2e3，k2＝4.5e5，k3＝25。pi控制器参数为k
p
＝5e3， ki＝1。利用matlab、amesim、adams联合仿真，采用系统每0.001s获得的数据进行仿真，给定系统恒流量起竖规划的期望指令，可以得到系统输出对期望指令的角度跟踪曲线(图6)，起竖角度跟踪误差曲线(图7)。从图6和图7中可以看出，鲁棒控制器的跟踪误差在起始阶段较大，随着鲁棒控制律的作用，跟踪误差逐渐减小，并进入稳定状态，同时在鲁棒控制器的跟踪误差比pi控制器的跟踪误差小，由此证实了鲁棒控制器的跟踪性能，使起竖过程更加精确。
[0162]
综上所述，本发明所述的气液混合式快速起竖闭环控制系统的鲁棒控制方法，最终得到系统有界稳定的结果，鲁棒控制器更能满足基于气液混合式快速起竖系统的起竖系统快速性、平稳性、高精度的起竖需求。

技术特征：

1.一种气液混合式快速起竖闭环控制系统，其特征在于：包括第一液压源(1)、第二液压源(2)、蓄能器辅助动力源(3)、蓄能器控制阀组(4)、蓄能器保护阀组(5)、系统保护阀组(6)、四级液压缸(7)、油箱(8)、油箱温度传感器(9)、第一补油压力传感器(10)、第二补油压力传感器(11)、蓄能器压力传感器(12)、油缸无杆腔压力传感器(13)、油缸有杆腔压力传感器(14)、四级液压缸角度编码器、第一永磁同步伺服电机编码器、第二永磁同步伺服电机编码器、上位机、dsp控制器、驱动器、总线耦合器；其中：第一液压源(1)和第二液压源(2)通过管路连接，第一液压源(1)通过管路分别与蓄能器控制阀组(4)、系统保护阀组(6)连接，第二液压源(2)通过管路经蓄能器保护阀组(5)与蓄能器控制阀组(4)连接，第二液压源(2)通过管路与系统保护阀组(6)连接，蓄能器辅助动力源(3)通过管路与蓄能器控制阀组(4)连接，蓄能器保护阀组(5)通过管路与系统保护阀组(6)连接，系统保护阀组(6)通过管路与四级液压缸(7)连接，油箱(8)通过管路同时与第一液压源(1)、第二液压源(2)、蓄能器辅助动力源(3)、蓄能器控制阀组(4)和系统保护阀组(6)连接，油箱温度传感器(9)设置在油箱(8)中，第一补油压力传感器(10)设置在第一液压源(1)上，第二补油压力传感器(11)设置在第二液压源(2)上，蓄能器压力传感器(12)设置在蓄能器辅助动力源(3)上，四级液压缸无杆腔压力传感器(13)设置在系统保护阀组(6)上，四级液压缸有杆腔压力传感器(14)设置在系统保护阀组(6)上，四级液压缸角度编码器设置于四级液压缸(7)回转轴上；第一永磁同步伺服电机编码器设置在第一液压源(1)上，第二永磁同步伺服电机编码器设置在第二液压源(2)上；油箱温度传感器(9)、第一补油压力传感器(10)、第二补油压力传感器(11)、蓄能器压力传感器(12)、四级液压缸无杆腔压力传感器(13)、四级液压缸有杆腔压力传感器(14)与总线耦合器连接，总线耦合器再与驱动器连接，第一永磁同步伺服电机编码器、第二永磁同步伺服电机编码器与驱动器连接，驱动器分别与第一液压源(1)、第二液压源(2)连接，四级液压缸角度编码器与dsp控制器连接，dsp控制器与驱动器连接，dsp控制器与上位机连接。2.根据权利要求1所述的气液混合式快速起竖闭环控制系统，其特征在于：所述第一液压源(1)包括第一永磁同步伺服电机(1a)、第一双向闭式液压泵(1b)、第一补油单向阀(1c)；第一永磁同步伺服电机(1a)同轴连接第一双向闭式液压泵(1b)，第一双向闭式液压泵(1b)的a口通过管路分别与蓄能器控制阀组(4)、系统保护阀组(6)及四级液压缸(7)连接，为系统提供负载所需的压力与流量，第一双向闭式液压泵(1b)的b口通过第一补油单向阀(1c)与油箱(8)连接，油箱(8)起到储存液压油及散热的作用，第一补油压力传感器(10)设置于第一双向闭式液压泵(1b)的b口处，用来监测第一双向闭式液压泵(1b)b口处的实时压力；第一永磁同步伺服电机编码器设置在第一永磁同步伺服电机(1a)上；所述第二液压源(2)包括第二永磁同步伺服电机(2a)、第二双向闭式液压泵(2b)、第二补油单向阀(2c)；第二永磁同步伺服电机(2a)同轴连接第二双向闭式液压泵(2b)，第二双向闭式液压泵(2b)的a口通过管路分别与蓄能器控制阀组(4)、系统保护阀组(6)及四级液压缸(7)连接，为系统提供负载所需的压力与流量，第二双向闭式液压泵(2b)的b口通过第二补油单向阀(2c)与油箱(8)连接，第二补油压力传感器(11)设置于第二双向闭式液压泵(2b)的b口处，用来监测第二双向闭式液压泵(2b)b口处的实时压力；第二永磁同步伺服电机编码器设置在第二永磁同步伺服电机(2a)上；所述蓄能器辅助动力源(3)包括高压气瓶(3a)、蓄能器溢流阀(3b)、活塞式蓄能器
(3c)、手动开关阀(3d)；高压气瓶(3a)经手动开关阀(3d)通过管路与活塞式蓄能器(3c)连接，活塞式蓄能器(3c)通过管路与蓄能器控制阀组(4)及蓄能器保护阀组(5)连接，蓄能器溢流阀(3b)串联在活塞式蓄能器(3c)和油箱(8)之间，是蓄能器辅助动力源(3)的安全阀，蓄能器压力传感器(12)串联在高压气瓶(3a)的出口与活塞式蓄能器(3c)间，检测活塞式蓄能器(3c)的气腔压力；所述蓄能器控制阀组(4)包括第一插装阀(4a)、第二插装阀(4b)、第一电磁换向阀(4c)、第二电磁换向阀(4d)；第一电磁换向阀(4c)的p口与第一插装阀(4a)的b口连通，第一电磁换向阀(4c)的a口与第一插装阀(4a)的c口连通，第一电磁换向阀(4c)的t口通过管路接回油箱(8)，第一电磁换向阀(4c)用来控制第一插装阀(4a)的开闭；第二电磁换向阀(4d)的p口与第二插装阀(4b)的b口连通，第二电磁换向阀(4d)的a口与第二插装阀(4b)的c口连通，第二电磁换向阀(4d)的t口通过管路接油箱(8)，第二电磁换向阀(4d)用来控制第二插装阀(4b)的开闭；第一插装阀(4a)的b口通过管路与第二插装阀(4b)的a口连通，第一插装阀(4a)的a口通过管路与第一双向闭式液压泵(1b)的a口连通，第二插装阀(4b)的b口通过管路与第二双向闭式液压泵(2b)的a口连通，并与系统保护阀组(6)连通，第二插装阀(4b)的a口通过管路与活塞式蓄能器(3c)连通，蓄能器控制阀组(4)用来控制蓄能器辅助动力源(3)的充放油进程；所述蓄能器保护阀组(5)包括第三电磁换向阀(5a)、第四电磁换向阀(5b)；第三电磁换向阀(5a)的p口与第二插装阀(4b)的a口连通，第三电磁换向阀(5a)的a口与第四电磁换向阀(5b)的p口连通，并与活塞式蓄能器(3c)连通，第四电磁换向阀(5b)的a口通过管路与第二插装阀(4b)的b口连通，并与第二双向闭式液压泵(2b)的a口、系统保护阀组(6)连通，蓄能器保护阀组(5)用来控制蓄能器开启时放液速度以减缓高压油液对系统的冲击；所述系统保护阀组(6)包括第一液控方向阀(6a)、第二液控方向阀(6b)、第一平衡阀(6c)、第二平衡阀(6d)、第一溢流阀(6e)和第二溢流阀(6f)；第一液控方向阀(6a)的a口与第二平衡阀(6d)的c口连通，第一液控方向阀(6a)的t口通过管路接油箱(8)；第二液控方向阀(6b)的a口与第一平衡阀(6c)的c口连通，第二液控方向阀(6b)的t口通过管路接回油箱(8)，第一平衡阀(6c)和第二平衡阀(6d)用于减小起竖过重心后的压力突变，同时保证回平时的系统安全；第一溢流阀(6e)串联在四级液压缸(7)无杆腔与油箱(8)之间，限制四级液压缸(7)无杆腔的工作压力；第二溢流阀(6f)串联在四级液压缸(7)有杆腔与油箱(8)之间，限制四级液压缸(7)有杆腔的工作压力；第一液控方向阀(6a)的p口、第一平衡阀(6c)的a口、第一溢流阀(6e)的a口分别对应与第一双向闭式液压泵(1b)的a口、第二双向闭式液压泵(2b)的a口和四级液压缸(7)的无杆腔连通，第二液控方向阀(6b)的p口、第二平衡阀(6d)的a口、第二溢流阀(6f)的a口分别对应与第一双向闭式液压泵(1b)的b口、第二双向闭式液压泵(2b)的b口和四级液压缸(7)的有杆腔连通；四级液压缸无杆腔压力传感器(13)接在第一溢流阀(6e)的a口处，用于检测四级液压缸(7)无杆腔压力，四级液压缸有杆腔压力传感器(14)接在第二溢流阀(6f)的a口处检测四级液压缸(7)有杆腔压力；上述第一电磁换向阀(4c)、第二电磁换向阀(4d)均为二位三通电磁换向阀，控制其所接通的插装阀的开闭，当电磁换向阀的a口与t口连通时，插装阀打开；当电磁换向阀的p口与a口连通时，插装阀关闭。3.根据权利要求2所述的气液混合式快速起竖闭环控制系统，其特征在于：该系统具有
快速起竖、闭环反馈控制、蓄能器充液、蓄能器冲击保护、限位保护、上位机操作及数据存储功能；所述气液混合式快速起竖闭环控制系统的快速起竖功能如下：起竖开始，上位机发送起竖指令，dsp控制器控制第一永磁同步伺服电机(1a)驱动第一双向闭式液压泵(1b)工作、第二永磁同步伺服电机(2a)驱动第二双向闭式液压泵(2b)工作，第一双向闭式液压泵(1b)、第二双向闭式液压泵(2b)的油液进入四级液压缸(7)的无杆腔，活塞式蓄能器(3c)的高压油液先经过蓄能器保护阀组(5)进入四级液压缸(7)的无杆腔，在第二插装阀(4b)打开后关闭蓄能器保护阀组(5)，活塞式蓄能器(3c)的高压油液经第二插装阀(4b)进入四级液压缸(7)的无杆腔，推动四级液压缸(7)活塞杆快速伸出，从而实现快速起竖；四级液压缸(7)有杆腔油液回到第一双向闭式液压泵(1b)、第二双向闭式液压泵(2b)的b口，形成一个闭式回路；所述气液混合式快速起竖闭环控制系统的闭环反馈控制功能如下：四级液压缸(7)的四级液压缸角度编码器采集的数字信号以can总线的通信方式发送到dsp控制器中，第一永磁同步伺服电机编码器、第二永磁同步伺服电机编码器采集的数字信号，先发送到驱动器，再以can总线的通信方式发送到dsp控制器中；将油箱温度传感器(9)采集的模拟信号、第一补油压力传感器(10)采集的模拟信号、第二补油压力传感器(11)采集的模拟信号、蓄能器压力传感器(12)采集的模拟信号、四级液压缸无杆腔压力传感器(13)采集的模拟信号、四级液压缸有杆腔压力传感器(14)采集的模拟信号经总线耦合器转换为数字信号，并以can总线的通信方式将数字信号发送到dsp控制器中，在dsp控制器中对数字信号进行控制算法解算，得到永磁同步伺服电机控制电压u，再以can总线的通信方式发送到驱动器中，驱动器控制第一液压源(1)中的第一永磁同步伺服电机(1a)、第二液压源(2)中的第二永磁同步伺服电机(2a)转速，为系统提供负载所需流量，继而控制四级液压缸(7)的起竖角度，从而构成闭环反馈控制；气液混合式快速起竖闭环控制系统的蓄能器充液功能说明如下：起竖开始前，打开手动开关阀(3d)，上位机发送蓄能器充液指令，dsp控制器控制第一插装阀(4a)开启，第二插装阀(4b)关闭，蓄能器保护阀组(5)关闭，第一永磁同步伺服电机(1a)驱动第一双向闭式液压泵(1b)工作，油液经过第一插装阀(4a)流向活塞式蓄能器(3c)，为蓄能器辅助动力源(3)充液，由蓄能器压力传感器(12)监测蓄能器辅助动力源(3)压力，达到所需压力后关闭第一插装阀(4a)和第一永磁同步伺服电机(1a)；所述气液混合式快速起竖闭环控制系统的蓄能器冲击保护功能如下：关闭第一插装阀(4a)，蓄能器辅助动力源(3)开始放液时，蓄能器保护阀组(5)中第三电磁换向阀(5a)开启，第四电磁换向阀(5b)由关闭状态经0.5s完全开启，使蓄能器辅助动力源(3)放出的高压油液先经过蓄能器保护阀组(5)至四级液压缸(7)的无杆腔，在第四电磁换向阀(5b)完全开启后第二插装阀(4b)开启，此时将第三电磁换向阀(5a)关闭，油液全部经过第二插装阀(4b)至四级液压缸(7)的无杆腔。蓄能器冲击保护功能用来控制蓄能器辅助动力源(3)开启时放液速度以减缓高压油液对系统的冲击；所述气液混合式快速起竖闭环控制系统的限位保护功能如下：当四级液压缸角度编码器采集的四级液压缸(7)起竖角度为第四级展开角度时，dsp控制器以can总线的通信方式发送指令关闭蓄能器控制阀组(4)中的第二插装阀(4b)以结束
蓄能器辅助动力源(3)的放油进程，仅依靠第一液压源(1)、第二液压源(2)完成起竖，防止过重心时对四级液压缸(7)冲击，当四级液压缸角度编码器采集的四级液压缸(7)起竖角度大于87
°
时，dsp控制器以can总线的通信方式发送指令使第一永磁同步伺服电机(1a)、第二永磁同步伺服电机(2a)停止工作，防止四级液压缸(7)过冲；所述气液混合式快速起竖闭环控制系统的上位机操作及数据存储功能如下：上位机采用以太网udp通信协议与dsp控制器之间进行报文传输，上位机包括开环起竖、闭环起竖、回收、蓄能器充放液、电机使能和急停指令功能及信号收集窗口；起竖过程中的油箱温度传感器(9)采集的信号、第一补油压力传感器(10)采集的信号、第二补油压力传感器(11)采集的信号、蓄能器压力传感器(12)采集的信号、四级液压缸无杆腔压力传感器(13)采集的信号、四级液压缸有杆腔压力传感器(14)采集的信号、四级液压缸角度编码器采集的信号、第一永磁同步伺服电机编码器采集的信号、第二永磁同步伺服电机编码器采集的信号均通过can总线的通信方式发送到dsp控制器中，再通过以太网udp通信方式发送到上位机中储存。4.根据权利要求3所述的气液混合式快速起竖闭环控制系统的鲁棒控制方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤1、操作上位机发送起竖指令，dsp控制器通过can总线发送指令，第一永磁同步伺服电机(1a)、第二永磁同步伺服电机(2a)初始转速500rpm，同时第三电磁换向阀(5a)打开，蓄能器辅助动力源(3)开始放液，第四电磁换向阀(5b)由关闭状态经0.5s完全开启，在第四电磁换向阀(5b)完全开启后第二电磁换向阀(4d)的a口与t口连通，第二插装阀(4b)打开，此时将第三电磁换向阀(5a)关闭，转入步骤2；步骤2、四级液压缸角度编码器采集的数字信号以can总线的通信方式发送到dsp控制器中，第一永磁同步伺服电机编码器、第二永磁同步伺服电机编码器采集的数字信号，先发送到驱动器，再以can总线的通信方式发送到dsp控制器中；油箱温度传感器(9)采集的模拟信号、第一补油压力传感器(10)采集的模拟信号、第二补油压力传感器(11)采集的模拟信号、蓄能器压力传感器(12)采集的模拟信号、四级液压缸无杆腔压力传感器(13)采集的模拟信号、四级液压缸有杆腔压力传感器(14)采集的模拟信号经过总线耦合器将模拟信号转换为数字信号，再以can总线的通信方式将数字信号发送到dsp控制器中；在dsp控制器中将采集到的四级液压缸无杆腔压力传感器(13)采集的信号、四级液压缸有杆腔压力传感器(14)采集的信号、四级液压缸角度编码器采集的信号通过鲁棒控制器解算，得到永磁同步伺服电机控制电压u；将永磁同步伺服电机控制电压u通过can总线发送到驱动器，驱动器控制第一液压源(1)中的第一永磁同步伺服电机(1a)、第二液压源(2)中的第二永磁同步伺服电机(2a)转速，继而控制四级液压缸(7)按照期望的角度起竖，转入步骤3；步骤3、当四级液压缸角度编码器采集的四级液压缸(7)起竖角度为第四级展开角度时，dsp控制器以can总线的通信方式发送指令关闭蓄能器控制阀组(4)中的第二插装阀(4b)以结束蓄能器辅助动力源(3)的放油进程，仅依靠第一液压源(1)、第二液压源(2)完成起竖，当四级液压缸角度编码器采集的四级液压缸(7)起竖角度大于87
°
时，dsp控制器以can总线的通信方式发送指令使第一永磁同步伺服电机(1a)、第二永磁同步伺服电机(2a)停止工作；起竖过程中的油箱温度传感器(9)信号、第一补油压力传感器(10)采集的信号、第二补油压力传感器(11)信号、蓄能器压力传感器(12)采集的信号、四级液压缸无杆腔压
力传感器(13)采集的信号、四级液压缸有杆腔压力传感器(14)采集的信号、四级液压缸角度编码器采集的信号、第一永磁同步伺服电机编码器采集的信号、第二永磁同步伺服电机编码器采集的信号通过can总线的通信方式将数字信号发送到dsp控制器中，再通过以太网udp通信方式发送到上位机中储存。5.根据权利要求4所述的气液混合式快速起竖闭环控制系统的鲁棒控制方法，其特征在于，步骤2中的鲁棒控制器的设计方法，步骤如下：步骤2-1，建立气液混合式快速起竖系统的数学模型，转入步骤2-2；步骤2-2，根据气液混合式快速起竖系统的数学模型，设计鲁棒控制器，转入步骤2-3；步骤2-3，运用李雅普诺夫稳定性理论对气液混合式快速起竖系统的鲁棒控制器进行稳定性证明，得到系统有界稳定的结果。6.根据权利要求5所述的气液混合式快速起竖闭环控制系统的鲁棒控制方法，其特征在于，步骤2-1中，建立气液混合式快速起竖系统的数学模型，具体如下：步骤2-1-1：气液混合式快速起竖系统采用三铰点直推式布局，系统的力矩平衡方程：式(1)中，m为起竖负载的质量；j为起竖负载相对回转轴的等效转动惯量；θ为四级液压缸(7)的起竖角度；为起竖角度的二阶导，即起竖角加速度；g为重力加速度；l3为液压缸上支点到回转轴的距离；l4为负载质心到回转轴的距离；β0为负载质心到回转轴的水平夹角；α为液压缸的上下支点连线与上支点到回转轴连线的夹角；f为四级液压缸(7)作用在起竖机构上的驱动力，即四级液压缸(7)推力；根据余弦定理，计算得到：式(2)中，l为四级液压缸(7)的上下支点距离；l1为四级液压缸(7)的下支点到回转轴的距离；l3为四级液压缸(7)的上支点到回转轴的距离；θ0为四级液压缸(7)的下支点到回转轴的水平夹角；再由正弦定理，得：根据式(1)、(2)、(3)，计算得到四级液压缸(7)推力f为：x
p
为四级液压缸(7)活塞位移，其计算式为式中，l2为四级液压缸(7)的初始安装距离；因此四级液压缸(7)活塞位移随起竖角度的变化率为：
步骤2-1-2：为了便于气液混合式快速起竖系统数学模型的建立，作出如下假设：假设1：油液的体积弹性模量为常数；假设2：忽略管道压力损失；根据牛顿第二定律，得系统负载动力学方程：式(7)中，a1为四级液压缸(7)无杆腔的实际有效作用面积；a2为四级液压缸(7)有杆腔的实际有效作用面积；p1为四级液压缸(7)无杆腔的压力；p2为四级液压缸(7)有杆腔的压力；为负载起竖角速度；b为粘性摩擦系数；表征的是库伦摩擦力矩，a
f
为库仑摩擦的幅值，s
f
(
·
)为连续的近似库伦摩擦形状函数；t为起竖系统的时间常量；d1(t)为系统未知干扰项；考虑油液压缩性，四级液压缸(7)无杆腔压力p1和有杆腔压力p2动态方程为：式(8)中，为四级液压缸(7)无杆腔压力变化率，为四级液压缸(7)有杆腔压力变化率，四级液压缸(7)无杆腔的容积v1＝v
01
+a1x
p
，四级液压缸(7)有杆腔的容积v2＝v
02-a2x
p
，其中v
01
为四级液压缸(7)有杆腔的初始容积，v
02
为四级液压缸(7)无杆腔的初始容积；β
e
为液压油的弹性模量；c
t
为四级液压缸(7)内泄漏系数；q1为四级液压缸(7)进油量，q2为四级液压缸(7)的回油量；四级液压缸(7)无杆腔实际有效作用面积a1、四级液压缸(7)有杆腔实际有效作用面积a2分别被定义为式(9)中，a
11
、a
21
分别表示四级液压缸(7)第一级无杆腔与有杆腔有效作用面积，a
12
、a
22
分别表示四级液压缸(7)第二级无杆腔与有杆腔有效作用面积，a
13
、a
23
分别表示四级液压缸(7)第三级无杆腔与有杆腔有效作用面积，a
14
、a
24
分别表示四级液压缸(7)第四级无杆腔与有杆腔有效作用面积；l1、l2、l3、l4分别表示第一级、第二级、第三级、第四级液压缸行程；
基于气液混合式快速起竖液压系统原理，得到四级液压缸(7)无杆腔流量q1与有杆腔流量q2关系为式(10)中，q
p1
＝-q
p2
＝q
p
，由于第一双向闭式液压泵(1b)与第二双向闭式液压泵(2b)规格相同，q
pump
为一个双向闭式液压泵的计算流量，相同的转速下q
p
＝2q
pump
，q
p
为两个双向闭式液压泵的总计算流量，q
p1
为两个双向闭式液压泵的总出油流量，q
p2
为两个双向闭式液压泵的总吸油流量，q
acc
为活塞式蓄能器(3c)经第二插装阀(4b)出口的流量，均下文给出；q
c
为两个补油单向阀的总补油流量；式(11)中，sm(
·
)为中间函数，起竖过程中正常工作时，溢流阀压力保持在预设值，因此通过第一溢流阀(6e)的流量q
r1
、第二溢流阀(6f)的流量q
r2
为0；则式(10)改写成由于永磁同步伺服电机的频响远高于系统的工作频率，因此将永磁同步伺服电机的动态简化成比例环节ω
p
＝k
p
u(13)式(13)中，ω
p
为双向闭式液压泵角速度；u为永磁同步伺服电机控制电压，即鲁棒控制器；k
p
为电机的转速增益系数；双向闭式液压泵的输出流量与永磁同步伺服电机转速有关，而转速又与控制电压成正比；因此双向闭式液压泵的计算流量q
pump
为q
pump
＝d
p
ω
p
＝d
p
k
p
u(14)式(14)中：d
p
为双向闭式液压泵的排量；系统的压力动态方程为步骤2-1-3：设(p
a0
,v
a0
)为气腔初始工作状态，p
a0
为活塞式蓄能器(3c)气腔部分的初始充气压力，v
a0
为活塞式蓄能器(3c)气腔初始容积，(p
a
,v
a
)为气腔任意工作状态，p
a
活塞式蓄能器(3c)气腔部分的充气压力，v
a
活塞式蓄能器(3c)气腔容积，则根据气体状态方程有p
a0va0k
＝p
avak
＝c(16)
k表示气体指数，绝热过程为1.4，c表示常数；在活塞式蓄能器(3c)气腔容积和高压气瓶(3a)预充压力固定的情况下，活塞式蓄能器(3c)调节的流量和容积仅依赖于活塞式蓄能器(3c)与四级液压缸(7)无杆腔压力的压差；因为活塞式蓄能器(3c)气腔压力p
a
和液腔压力p
e
相等，即p
a
＝p
e
，得：活塞式蓄能器(3c)输出流量q
a
与气腔容积v
a
关系表示为：v
a
＝∫q
a
dt(18)活塞式蓄能器(3c)流入系统的流量和活塞式蓄能器(3c)输出流量q
a
的关系表示为式(19)中v
e
为活塞式蓄能器(3c)内液体任意时刻的体积，v
e
＝-∫q
acc
dt；活塞式蓄能器(3c)经第二插装阀(4b)流出的流量表示为其中，q
acc
为活塞式蓄能器(3c)经第二插装阀(4b)流出的流量，c
q
为第二插装阀(4b)的流量系数，a为第二插装阀(4b)的过流面积；ρ为油液密度。7.根据权利要求6所述的气液混合式快速起竖闭环控制系统的鲁棒控制方法，其特征在于，d1(t)为系统未知干扰项，包括未建模的摩擦非线性和系统外部干扰。8.根据权利要求6所述的气液混合式快速起竖闭环控制系统的鲁棒控制方法，其特征在于，步骤2-2中，根据气液混合式快速起竖系统的数学模型，设计鲁棒控制器，具体如下：步骤2-2-1：定义状态空间变量其中x1为起竖系统四级液压缸(7)角度位置变量，起竖系统四级液压缸(7)角速度变量起竖系统四级液压缸(7)角速度变量为起竖系统四级液压缸(7)角加速度变量，x3为压力变量，为四级液压缸(7)推力变化速率，得到基于气液混合式快速起竖闭环控制系统的状态空间方程为：式(21)中，中间变量函数中间变量函数中间变量函数中间变量函数中间变量函数中间变量函数中间变量函数中间变量函数中间变量函数
在设计控制器之前，进行如下合理假设：假设3：系统的参考角度指令x
1d(t)
是三阶连续可微的，并且系统期望的角度指令、角速度指令和角加速度指令都是有界的；假设4：系统未知干扰项的中间变量函数足够d(t)光滑且有界，即|d(t)|≤δ1(22)式中上限δ1为已知的正数；步骤2-2-2：定义系统的角度跟踪误差z1＝x
1-x
1d
，x
1d
是系统期望跟踪的角度指令，为x
1d
的期望速度，为x
1d
的期望加速度，定义α1为状态x2的虚拟控制律，α1与x2之间的第二通道误差z2＝x
2-α1，对z1求导，得：设计虚拟控制律则式(25)中，为中间变量，可调控制增益k1＞0；使z2趋向于0就有z1趋向于0；所以下面目标为让z2趋向于0；根据式(21)和z2的定义，得到式(26)中，为中间变量，为中间变量；根据中间变量函数g1(x1)的定义可知在俯仰角度范围内g1(x1)＞0恒成立，且由于g1(x1)＞0，因此在俯仰角度范围内，其还有如下性质：g
1min
≤g1(x1)≤g
1max
(27)g
1min
和g
1max
分别表示中间变量函数g1(x1)的最小值和最大值；定义α2为状态x3的虚拟控制律，α2与x3之间的第三通道误差z3＝x
3-α2，虚拟控制函数α2设计为α2＝-k2z2(29)由于g1(x1)、g2(x1)、g3(x1,x2)、g4(x1,x2)、d(t)均有界，定义其中，m1表示第二通道集总干扰项；表示m1的最大值；
式(30)中，可调控制增益k2＞0，-k2z2为鲁棒控制项；步骤2-2-3：对z3求时间的导数得式(31)中，为中间变量，为中间变量；由于g5(x1)、g6(x1,x2)、g7(x1,x3)、g8(x1,x3)均有界，定义其中，m2表示第三通道集总干扰项；表示m2的最大值；基于上述设计最终的鲁棒控制器表示为基于上述设计最终的鲁棒控制器表示为式(33)中，为中间变量，可调控制增益k3＞0；-k3z3为鲁棒控制项。9.根据权利要求8所述的气液混合式快速起竖闭环控制系统的鲁棒控制方法，其特征在于，步骤2-3中，运用李雅普诺夫稳定性理论对气液混合式快速起竖系统的鲁棒控制器进行稳定性证明，得到系统有界稳定的结果，具体如下：定理1：基于式(24)、式(29)、式(32)和假设3，选取足够大的可调控制增益k1,k2,k3使得如下定义的矩阵λ正定则所有的系统信号都是有界的；证明：定义lyapunov函数对v求导，可得
由杨氏不等式令中间函数令中间函数其中中间变量z＝[z1,z2,z3]
t
；则式(38)改写成其中λ
min
(λ)为正定矩阵λ的最小特征值；因此，系统有界稳定，当时间趋于无穷时，且其界为因此所有的误差信号都是有界的。

技术总结

本发明公开了一种气液混合式快速起竖闭环控制系统，该系统包括气液混合式快速起竖液压系统、DSP控制器、驱动器、总线耦合器、编码器、上位机，具有快速起竖、闭环反馈控制、蓄能器充液、蓄能器冲击保护、限位保护、上位机操作及数据存储功能。设计鲁棒控制策略，调节伺服电机转速直接驱动液压泵输出流量，提高起竖过程的闭环控制精度，该方法是针对如下问题提出的：传统起竖系统多为阀控液压系统且开环控制，系统的未知干扰没有在传统起竖过程中抑制，系统鲁棒性较差，而蓄能器加电控泵系统具有满足瞬时超大功率的能量需求的优势，并提出鲁棒控制方法有效可很好的解决以上问题。本发明保证了起竖过程的平稳性、可靠性，提高了起竖角度跟踪精准性。竖角度跟踪精准性。竖角度跟踪精准性。