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考虑运动学与动力学约束的独立计量电液系统自适应鲁棒约束运动控制
Adaptive Robust Constrained Motion Control of an Independent Metering Electro-Hydraulic System Considering Kinematic and Dynamic Constraints
| 作者 | Yong Zhou · Bobo Helian · Zheng Chen · Bin Yao |
| 期刊 | IEEE Transactions on Industrial Informatics |
| 出版日期 | 2025年4月 |
| 技术分类 | 控制与算法 |
| 技术标签 | 工商业光伏 |
| 相关度评分 | ★★★★ 4.0 / 5.0 |
| 关键词 | 独立计量系统 双环控制策略 约束运动控制 轨迹规划 自适应鲁棒运动控制器 |
语言:
中文摘要
独立计量系统(IMS)凭借高功率密度、大输出力和高控制自由度,在液压工业应用中展现出卓越的性能。然而,安全阀和补油阀等机械安全结构的存在引入了复杂的约束条件,这极大地限制了独立计量系统的性能提升。若违反这些约束条件,系统将出现气穴、溢流和压力冲击等不良现象,导致系统失去精度和稳定性。本文提出了一种双环控制策略,将外环约束轨迹规划器与内环自适应鲁棒运动控制器(ARC)相结合,以实现独立计量系统的约束运动控制。在外环中,运动学和动力学约束条件均被转化为对重新规划轨迹的时变约束,这些约束基于状态反馈进行在线计算,以优化规划器的性能。利用三阶非线性滤波器规划出时间最优运动轨迹,确保在满足给定约束条件的同时收敛到原始参考轨迹。在内环中,设计了高性能的自适应鲁棒运动控制器,使独立计量系统能够在存在不确定性和非线性因素的情况下跟踪重新规划的轨迹。为验证所提出的双环控制框架的约束性能,在独立计量系统试验台上进行了不同控制策略的实验。
English Abstract
Independent metering systems (IMSs) have shown superior performance in hydraulic industrial applications because of the high power density, large force output, and high control freedom. However, the presence of mechanical safety structures, such as relief valves and replenishing valves, introduces complex constraints that significantly limit performance improvements of the IMS. If the constraints are violated, then some undesirable phenomena, such as cavitation, overflow, and pressure surge, will occur to make the system lose accuracy and stability. In this article, a double-loop control strategy, which combines theouter loop constrained trajectory planner and the inner loop adaptive robust motion controller (ARC), is developed to realize the constrained motion control of the IMS. In the outer loop, both kinematic and dynamic constraints are transformed into time-varying constraints on the replanned trajectory, which are calculated based on the state feedback online to optimize the planner's performance. A time-optimal motion trajectory is planned using a third-order nonlinear filter, ensuring convergence to the original reference while meeting the assigned constraints. In the inner loop, the high-performance ARC controller is designed to make the IMS track the replanned trajectory despite uncertainties and nonlinearities. To demonstrate the constrained performance of the proposed double-loop control framework, experiments with different control strategies are conducted on an IMS test bench.
S
SunView 深度解读
从阳光电源的业务视角来看,这项独立计量电液系统的自适应鲁棒约束控制技术具有重要的跨领域应用价值。虽然该研究聚焦于液压系统,但其核心控制理念与我司在新能源领域面临的约束优化问题高度契合。
在储能系统领域,该技术的双环控制架构对我司具有直接借鉴意义。外环轨迹规划器处理运动学和动力学约束的方法,可类比应用于储能系统的功率调度和电池管理中。储能系统同样面临电压、电流、温度等多重约束,需要在满足安全边界的前提下实现最优充放电控制。论文提出的时变约束在线计算和时间最优轨迹规划思想,可帮助我们优化储能系统在电网调频、削峰填谷等应用场景中的响应速度和效率。
对于光伏逆变器的最大功率点跟踪(MPPT)控制,该技术的自适应鲁棒控制器设计理念同样具有启发性。逆变器在复杂工况下需要处理光照突变、温度波动、电网扰动等不确定性因素,而论文中应对非线性和不确定性的控制策略可增强系统的鲁棒性和跟踪精度。
技术挑战方面,将液压系统的控制方法迁移到电力电子系统需要考虑响应时间尺度的差异和控制对象特性的区别。机遇在于,随着储能系统大型化和智能化发展,多约束条件下的实时优化控制需求日益迫切,该技术的工程化应用经验可加速我司在预测性控制和约束管理算法方面的技术积累,提升产品在复杂工况下的可靠性和经济性,增强市场竞争力。