双回路阀控缸系统的扩展滑模观测器增强鲁棒控制策略研究

为解决液压支架推进系统在复杂工况下因回路切换导致的动态冲击和集总扰动问题，研究人员提出了一种基于扩展滑模观测器(ESMO)和鲁棒滑模控制(RSMC)的容错控制策略。该研究通过建立包含阀门S型关闭特性的动态模型，设计了ESMO在线估计扰动并实现前馈补偿，显著提升了系统跟踪精度和稳定性。实验结果表明，相比传统SMC，ESMO-RSMC策略将峰值扰动误差降低60.4%，收敛时间从0.08秒缩短至误差带内瞬时响应，为重型装备在恶劣工业环境中的连续安全运行提供了有效解决方案。

　　

在煤炭机械化开采领域，液压支架推进系统的控制性能直接关系到工作面自动化水平。然而井下恶劣环境（粉尘、潮湿、温度波动）常导致电液比例阀发生卡滞、磨损甚至堵塞，造成执行机构响应延迟或失效。更棘手的是，当采用双回路冗余设计提升可靠性时，回路切换过程会产生剧烈的流量压力波动，这对大采高支架的稳定性构成新的挑战——现有PID、模糊控制等方法在面对这类强非线性、参数时变的扰动时往往力不从心。

辽宁工业大学机械工程学院的研究团队在《Results in Engineering》发表的研究中，创造性地将扩展滑模观测器(ESMO)与鲁棒滑模控制(RSMC)相结合，构建了一套针对双回路阀控缸系统的智能容错方案。他们通过AMESim-MATLAB联合仿真平台和实体实验验证，证实该策略能使切换扰动下的峰值误差降低50%以上，为重型液压装备在极端工况下的稳定运行提供了关键技术支撑。

研究团队首先建立了包含球阀S型关闭特性的三阶微分方程模型，通过模型降阶获得便于观测器设计的二阶系统。关键技术突破在于ESMO设计：通过定义负载压力(x₁)、压力变化率(x₂)和扰动积分(x₃)三个状态变量，构建了能实时估计负载压力、压力变化率和集总扰动的全维观测器。特别引人注目的是，观测器采用分层增益结构——L₁保证状态估计收敛，L₂克服系统内部耦合，L₃专门抑制时变扰动，这种设计使得在阀切换瞬间仍能保持±1.5MPa以内的压力观测误差。

基于ESMO的扰动估计，团队进一步开发了具有动态补偿的RSMC控制器。其创新点体现在三方面：一是将传统滑模面的误差项(e)扩展为c₁e+c₂?+_x?3，实现扰动前馈补偿；二是引入γ₁d?(t)项动态调节切换增益，将控制输入抖动降低63%；三是采用Φ=0.1×允许压力波动的自适应边界层设计，在保证精度的同时有效抑制高频颤振。

实验结果令人振奋：在模拟5秒时突发阀故障切换的极端工况下，ESMO-RSMC仅产生196.21N的峰值力误差，较传统SMC的495.03N改善60.4%。更关键的是，其初始收敛时间达到误差带内的瞬时响应，比PID控制器快1.45秒。这些优势源于ESMO对切换扰动的前瞻性捕捉——实验数据显示，观测器能在扰动发生0.52秒内完成95%的估计精度跟踪，为控制器赢得宝贵的预处理时间。

这项研究的工程价值在于：其一，通过双回路架构与智能算法的结合，使系统在单阀故障时仍能保持连续作业，将非计划停机风险降低70%以上；其二，提出的ESMO-RSMC策略无需精确建模即可处理包含未建模动态、负载突变和阀切换冲击的复合扰动，特别适合煤矿井下参数时变的复杂环境。研究团队特别指出，该方法已成功应用于某型8米采高液压支架，其压力控制精度达到±0.5MPa，完全满足《煤矿安全规程》对顶板控制的要求。未来，该技术有望推广至工程机械、冶金装备等领域的液压系统故障诊断与容错控制中。