50、电动气动执行器的非线性控制与近似线性化方法

电动气动执行器的非线性控制与近似线性化方法

1. 电动气动执行器概述

电动气动执行器在工业驱动系统和许多机电一体化应用中广泛使用，常见于汽车系统，如车辆的离合器和制动器，也用于车辆的内燃机，如涡轮增压器、废气再循环和进气歧管的控制。与电动或电动液压执行器相比，电动气动执行器具有输出功率与重量和尺寸比高、易于维护、成本低和结构简单等优点，适用于恶劣和多尘的环境以及高力和压力任务。在机器人和精确定位应用中，若能有效处理其非线性动力学和相关的非线性控制问题，也可发挥作用。

早期，线性控制技术如模型预测控制（MPC）在考虑局部线性动力学和特定工作点附近的运行后应用于电动气动执行器，但逐渐被非线性控制方法所取代，如反馈线性化（全局线性化）方法、滑模控制、反步控制和非线性模型预测控制技术等。基于状态估计的控制技术也得到了发展，在电动气动执行器的控制回路中加入了状态观测器。然而，电动气动执行器的非线性最优控制技术的实现仍然是一个开放且具有挑战性的问题。

2. 非线性最优控制方法

提出了一种基于近似线性化的非线性最优控制方法。该方法围绕一个临时工作点对电动气动执行器的状态空间模型进行近似线性化，该临时工作点在每个采样时刻更新。线性化基于一阶泰勒级数展开和系统状态空间模型的雅可比矩阵的计算，线性化点由执行器状态向量的当前值和控制输入向量的最后采样值定义。

对于近似线性化的模型，设计了一个稳定的H无穷反馈控制器。该控制器解决了电动气动执行器在模型不确定性和外部扰动下的最优控制问题，实际上是一个最小 - 最大微分博弈，其中控制输入试图最小化状态向量跟踪误差的二次成本函数，而模型不确定性和外部扰动项则试图最大化该成本函数。为了计算控制器的反馈增益，在控制算法的