国家自然科学基金机械工程学科2020年度优秀结题项目（七）

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项目负责人: 姚建勇教授

Email: [e-mail]

项目执行期: 2017.01-2020.12

依托单位: 南京理工大学

项目批准号: 51675279

项目简介

本项目以阀控电液伺服系统为研究对象，围绕非线性特性和模型不确定性等共性瓶颈问题，兼顾环境影响（测量噪声、外干扰等）、物理约束（输入约束等）及未建模动态（阀芯动态、机械传递动态）等因素，研究了基于参数与干扰估计的非线性控制策略一体化设计，增强了系统对于强参数不确定和强干扰的鲁棒性；建立了连续可微的动态摩擦模型，并开展了摩擦补偿控制设计，提升了系统的低速伺服性能；提出了基于期望补偿的自适应控制策略，降低了控制器的噪声敏感度；针对未建模的阀芯动态和机械传递动态，提出了针对性的补偿控制策略，提升了系统的高动态伺服性能；构建了兼顾物理约束的非线性控制方法，克服了输入与状态约束对伺服性能的影响；完成了各非线性控制策略的仿真和实验验证。

主要研究进展及创新点

本项目针对影响电液伺服非线性控制工程化应用的关键因素，凝练核心科学问题，提出有针对性的控制策略设计方案，在基于参数与干扰估计的非线性控制策略一体化设计、低噪声敏感度控制、未建模动态抑制、输入和状态约束控制等方面均取得了研究进展，主要创新如下：(1) 提出了参数与干扰估计相融合的非线性控制策略，以控制误差和状态估计误差复合驱动参数自适应过程，克服了传统非线性控制器设计片面、实用性差、存在潜在失控风险等弊端。(2) 提出了基于期望补偿的自适应控制策略，降低了控制器对噪声的敏感度，有利于伺服性能的提升。(3) 首次采用时滞环节逼近阀芯动态，既简化了控制器设计模型又充分表征了阀动态特性，并提出了具有阀芯动态补偿的输出反馈控制策略，规避了反步控制设计存在的“微分爆炸”问题。(4) 提出了基于双曲正切函数的抗输入饱和自适应控制策略，克服了系统潜在的奇异问题，增强在短时异常时的稳定性；提出了基于障碍Lyapunov函数的全状态约束自适应控制策略，实现了对于系统状态的约束控制，增强了控制策略的实用性。

图1 电液伺服阀控缸/马达

             图2 电液伺服非线性控制策略框架

项目取得的主要研究成果

项目执行期间，发表SCI/EI检索文章45篇，其中项目负责人为第一/通讯作者SCI论文33篇，IEEE Trans论文5篇，入选ESI高被引论文4篇，培养硕士研究生12名， 博土研究生3名。项目负责人入选了“万人计划”青年拔尖人才、霍英东青年教师基金、江苏省“杰青”、中国科协青年拔尖人才托举计划等人才计划。研究成果获得2018年教育部自然科学一等奖（排名2）、2019年黑龙江省自然科学二等奖（排名2）、2020年江苏省科技奖一等奖（排名4）。研究成果在液压重载机械臂关节控制、液压飞行仿真转台伺服控制上，取得了较好的应用效果。

图3 教育部自然科学一等奖获奖证书 

图4 黑龙江省自然科学二等奖获奖证书

图5 液压重载机械臂应用

图6 五轴液压飞行仿真转台应用

团队介绍

姚建勇教授科研团队立足于南京理工大学机械工程学院，长期专注于液压元件及系统控制、工业机器人技术、飞行器半实物仿真装备研发等方面的研究。目前团队拥有教授1名、副教授1名及讲师2名，博士研究生12人，硕士研究生34人。团队以机电液伺服系统为对象，针对制约伺服系统的控制精度、响应速度、受扰稳定性等问题开展了深入的基础研究和技术开发，提出了电液伺服系统自适应抗扰非线性控制理论方法，实现了优于0.1%FS超高精度跟踪控制、0.00005°/s超低速稳定跟踪、30Hz“双十”力控频宽等极限性能。团队主持国家重点研发计划项目1项，国家自然科学基金6项，省部级课题10余项。已发表学术论文200余篇，其中SCI收录论文80余篇，获授权发明专利30余件，出版学术专著一部。团队发表的论文谷歌总引3500余次，SCI他引1500余次，ESI高被引论文8篇，研究成果得到国内外20余位院士、20余位行业Fellow的广泛引用和正面评价。

编辑：姚 辉     校对：金 程

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