在液压传动控制系统设计中的结构分析外文文献翻译、中英文翻译

附录A在液压传动控制系统设计中的结构分析1引言水压机提供了有利的动力性能,因此为工业应用提供一个重大的传动观念。大型液压系统（如植物,海洋技术以及驱动机床）具备生产一大批器。因此,单一部件或整个子系统精密传动之间的依赖性变得越来越大,这导致了各种挑战和要求设计和控制任务.作为一个有代表性的例子就复杂性和尺寸，它显示冷轧厂的电路图(密度,1995年).在这里超过20个驱动器的工作缠绕钢带.设计这种大型液压控制系统,就意味着设计一个系统的程序.实际上,这样做是相当含蓄，基于直觉和经验丰富的人力设计师本文介绍了系统的水压机,从而揭示其内在结构,以及关系和相互依赖.这种做法使得一个结构分析,彻底的从基本结论为自动化设计流程可以取用.这个文件的概念已经实现,并纳入artdeco,知识型液压系统设计支援(施泰因,1995年).目前,artdeco结合民航基础设施适应质证和结构分析方法,模拟方法设计的基本法则处理。实施水力设计知识,还需要召开一次正式的定义认证,并自动提取结构信息从一个电路图.文件有助于在这些方面。这是有组织的如下.第2部分叙述概念和模范的结构层次上的一个液压系统,可以进行调查增益贸易,顺应了结构性分析.第4恰恰处理NES不同类型的偶合器之间的功能单位的液压系统,因此,建立一个基础,以计算机为基础的分析.此外,还概述了结构分析的自动化.第5概述开采结构信息artdeco2.结构分析液压系统大多数液压系统的设计都是开发方面的经验和直觉的一个工程师设计的.由于缺乏一个结构性的方法,深入分析了系统的结构不进行.反之,有限汇编可行的解决方法,使结果高度依赖个人能力.这种方法只适合于经常性的设计任务的变化不大.在以下的时间,一个系统的结构设置液压厂介绍,这导致了面向问题的系统分析.应用静压传动（作初步设计)便于随之而故意推导结构信息,这是必要的,使系统的性能满足客户的需求.2.1.结构层次液压系统系统的发展,这是基于三个层次的抽象(火车头等,1996).区分功能结构,组成结构,系统的理论架构与系统说明的不同特点.从这个成绩优异的整体看法如何,在-31分类号系统的行为用于说明概念的结构层次,我们将集中精力进行抽样子系统的冷轧厂的具体分析。功能结构表明的基本行动方式的一个液压回路通过分析不同的任务(职能)工厂必须配有硕士学位.它代表了一种系统的定性描述。它一个关键要素的功能架构就是所谓的“液压轴”.压轴的一个代表是全领域中的一个子己全液压厂.在处理NES的联系和相互作用这些工作,控制和要素供给,实现六(火车头,1996年).液压驱动的四辊站做两件事分别由轴定向负荷和动数量代表性的辊站在水平的功能是在检测液压轴及其相互联系坦承深远的结论,这是在第3部分的结构,选择实现一个功能的影响.布置漏出结构信息组成的液压元件(泵,阀,缸,等)以及它们的几何和物理安排.由开关状态结构的全部可能的组合开关位置的特点是:阀的,比如可开启或关闭(17.4%C和D)描绘代表性的辊站在分量水平.系统的理论架构所包含的信息的动态特性的液压传动技术作为一个整体,不单个组件.常见的方式来描述动力学的微分和差分方程或状态空间形式(施瓦茨,1991)的系统理论观点,包括对信息的控制数量,以及动态行为的控制系统.揭示系统理论架构的辊立场.通过对比分析和模拟结果与性能需求的驱动器能迅速作出决定,为每个液压轴是否开放或闭环控制概念已经足够.在进一步说,适当的控制策略(线性,非线性等).功能结构产生了质的代表性,系统描述更加定量在组件和系统的理论水平.此外,分析的结构设置显示怎生行为的一个液压装置,在定义粗糙,功能结构必须被看作是不变的,因为它的结果,从客户的需求.只有特定结构被证明是理想的,（1）经过改良的阳离子（因启发式分析方法)为宜;(2)注意到,在部件级,结合启发式和分析方法,是需要更改或交换液压元件,构成控制系统;(3)系统的理论水平,有利于案件的动态-测评:控制理论提供了一种分析方法,选择合适的控制策略,参数化等.2.2.液压轴及联轴器着重考察它们的功能结构的液压系统,检测和评价液压轴线是中央的利益.他们的分析,有助于更深入地理解的内在关联电厂,并概述了能源方面的职能将崛起的电弧.定义认证的液压轴,在2.1节,是基于标准的要素一起为了全长的当地单一的功能.注意到有几个驱动器(液压马达/瓶),可有助于实现同样功能,从而形成了一个单一的液压轴.除考虑孤立液压轴,有必要探讨其相互联系.以下耦合类型已经制订出来.运用的概念,功能结构的冷轧厂.1月15日液压轴连同其偶合可以找到.左边的液压系统拥护者成员的组成图表的斧头，右侧显示整个耦合方案的形式一棵树.电动液压伺服系统(ehss)广泛用于多种工业应用,从液压冲压和注塑成型压力机航天飞行控制器.ehss作为非常有效率的驱动系统,因为他们拥有一台高功率/质量比,响应速度快,高刚度,高承载能力最大的优点液压系统,以满足日益严格的性能规格而言,鲁棒跟踪精度高,响应速度快,高性能有需要的.然而,传统的线性控制器(安德森,1988年;莫瑞,1967)表现有局限性,由于存在非线性动力学ehss,具体地说,一个平方根的关系压差驱动流量的液压油,以及流速.这些限制已有案可查的文献.已采取若干对策建议,以解决这些限制因素,包括使用变结构控制(安德,2001年;尼科利奇,2002年),后退(诺维奇,2002年;kaddissi,肯内,萨阿德,2005年,2007年;乌尔苏和波佩斯库,2002年)和反馈线性(沃加,本先生,海泽,1995年;约万诺维奇,2002).变结构控制其基本形式是容易抖(存储优势2004年)以来的控制算法是基于开关;然而,若干修改建议,以解决这一问题(安德,2001年;存储边缘,2004年;米哈欧,2002).返回式步进是一种技术就是基于雅普诺夫理论,并保证渐近跟踪(诺维奇,2002年;卡第丝,2005年,乌尔苏和波佩斯库等,2002),但找到一个合适的人选雅普诺夫函数可以有挑战性.控制器采用该方法,通常是复杂和校正控制参数瞬态响应。其他的雅普诺夫技术为基础的解决额外系统的非线性如摩擦但也容易产生同样的缺点,因为这些上市的backstepping(刘阿列内,1999年).反馈线性其中的非线性系统转化为一个等价的线性系统,有效地抵消了非线性计算闭环,它提供了一种地址的的非线性系统,同时使自己手中的权力线性控制设计技术来处理瞬态响应要求和驱动器的局限性.利用反馈线性控制ehss一直被描述沃加】.(1995年)和诺维奇(2002).买通用和来门(2001)扰跟踪控制液压柔性机器人是考虑采用解耦技术类似的线性反馈方法,在此建议.但是,这种方法需要测量的干扰势力及其衍生物的时候,这是不可能有现成的一个实际应用.相较于上述技术,而且都是全状态反馈的方法,孙和邱(1999)描述设计中的一个观察员算法专门为部队控制了ehss.自适应控制器,利用迭代方法,以更新的控制参数和地址摩擦影响最小厂房骚乱知识提出了焦油,,而模型的基础上描述买通用和来门(2001).大部分关于这个专题的文献显示仿真结果;值得注意的例外,以实际的实验结果,刘阿列内（1999年）,并杉山爱及田(2004),孙和邱(1999).重点本文介绍了控制器的设计方法,是全面的,也就是一个涵盖位移,速度和压差控制,地址非线性出席ehss并认为实际问题,如瞬态响应和实时实现.因此,有相当部分的文件被定义的实验方面的研究工作.此外,本文旨在作为一个明确的指导,制定和实施反馈线性控制器为ehss.本文安排如下:第2部分叙述了回转液压传动这是一个用来作为实验平台.在本节中的数学模型,该系统还审查和验证实验数据.第3节设计的PID控制系统的仿真和实验结果都表明,作为基准的业绩进行评价的线性反馈控制器;第4节描述的设计和实施的线性反馈控制器最后,结束语提供第5部分。本研究报告的目的是审查非线性动力学转动液压传动,研究这些动态如何导致限制PID控制器的性能,并设计和实施伺服控制器适当的位移,速度和压力控制.线性反馈理论的基本原理作为一种非线性控制技术,以实现这一目标,本研究和控制器的设计,利用这种方法进行验证实验测试.从这些测试结果可以看出液压系统具有非线性特点,线性反馈理论提供了强有力的控制策略,能够明显改善对PID控制的跟踪精度和瞬态响应.结果表明,该系统可以模拟不足以准确有效地执行控制器.这项研究是有限的控制旋转液压传动.应用反馈线性理论的控制较为复杂的综合性的旋转运动和线性驱动器,以及其他影响,如摩擦力,可视为未来扩展这一工作.尽管有优势,从简单,仿真和实验结果上一节显示,PID控制具有一定的局限性,在跟踪性能液压控制,而这些限制是后果的非线性性质的液压系统.非线性正在处理利用技术的线性反馈(哈利勒1996年)和设计过程中得到了反馈线性控制器系统此处描述。缺陷与无力电流分析的方法来处理大系统,液压控制系统,预测将趋于稳定,有时呈现非线性振荡压力够大振幅严重降低系统的性能.方法的改进量化的鲁棒性大型液压系统采用分叉型程序是一个话题目前正在研究.分叉型的程序已经使用了若干研究者的稳定性分析,各类系统而若门和汤普森显示分析程序计算的基础上的亲密分岔能有效量化的鲁棒稳定的液压位置控制系统的一个大(7维)参数空间.几个重要问题的鲁棒稳定性分析大型系统共处理了这一工作,处理齐位参数和使用公差范围限制在一个参数分析.若干新的问题必须得到解决,以处理一般案件的大型非线性系统,包括开发程序可能出现多个振荡模式(如模式,是指一个振荡提供了一个独特的频率和模式形状),确定的物理意义,每个振荡模式,并保证结果不只是有效的补充要求,而且也包括全球.本研究的目的是要提供必要的提升,以目前的方法鲁棒稳定性分析大非线性系统,从而改善了不可承受可能与系统响应上升严谨稳健预测.分岔为基础的程序开发,而且表现为提供几乎严格鲁棒稳定预言与严谨提供了重心从分析可能系统登陆潜在反应模式.此外,分叉型程序有一种共生关系与数值模拟分析,有针对性的模拟来验证和加上严谨的质量稳健预言结果加了分岔的分析是用来通知,并加强了全面分析超越稳定边界.演示和验证,新的煤层气一般分析方法是使用系统的鲁棒稳定性分析一个大型自动变速器液压系统为期9维状态空间和24维空间的参数.即使效果稳定,该系统有可能已逼近使用常用方法,基于网格的模拟结果,如果没有确切或严格的制度的认识和可能反应也已大大减少.没有实验验证,已经完成了关于这个实际模型;然而模拟结果,其中吻合分叉型的预言,已证实先前实验中的类似系统.长期目标为这项研究是分析和实验验证分岔/模拟分析程序,让全面自动传动液压系统.虽然本文的讨论围绕液压控制系统,只要稍加改动,到不同类型的预期反应和分岔类型增强的分析程序适用任何大的非线性系统.另外,注重模式具体分析和配对模式数学与物理模式可极大用于诊断,分析定义来了解和消除振荡,在实际中发生.想感谢前人的宝贵意见和福特汽车公司科研究室所作的宝贵援助与液压系统的建模.一个很初步的版本,这一研究发表在1999年美国控制会议的标题下的鲁棒稳定性分析大型液压控制系统一文的同名出现在会议程序.3.利益结构分析结构分析液压系统揭示基本设计决定.特别是功能分析,是基于检测系统的液压联动,将简化做阳离子扩建,并适应系统(施泰因,1996年).单独处理液压轴明显降低设计努力在以下几个方面:智能仿真.智能仿真是一个人的策略来分析复杂系统:子系统辨认,减免费用模拟自己的.这种策略减少了模拟的复杂性和简单化政府解释其结果.液压轴建立适合子系统可减免费的,因为他们的表现不可分割的,但子任务完成.静态设计.关于液压轴驱动概念(开启/关闭中心,负荷传感,再生电路,等等),允许选择计算程序的静态设计(瓦尔特,1981年;佩措尔德和折边,1989).此外,施用做阳离子知识,并要考虑轴的耦合水平诊断.具有液压回路分解成液压轴诊断过程能集中到一个单一轴线按照以下工作假说:如果症状观察,仅在一个单一的液压轴然后缺损组成湾(S),必须在构成这一轴线.如果症状观察,在几个轴线,轴线式联轴器将进一步答案就缺陷部件.黑森州和史坦(1998)描述一个制度下,这一想法已成立并开始运行.注意到智能分级阳离子的耦合液压轴形式背后是否分解了水工设计问题,是不被允许的.虽然子系统与水平0或1级联轴器可以缩短免费所需的进一步资料，并联，串联,并顺序联结.例如:设甲,乙两个液压轴.4.图理论分析液压机关键目标的拓扑分析了液压传动,是自动检测其基本功能结构,这是重新-31变量的液压轴连同其偶合.注意,在通常的设计过程中,液压轴不被用来作为明确的积木.原因有两方面:(1)它是不总是能够设计一个液压系统自上而下的方式,由液压轴其中重®证监会在随后的步骤;(2)的经验和能力,一个人的设计师自动导出功能,从结构,使他能兴建一个液压系统组成的水平.作为外,主要工作文件设计师是技术制图,并没有传统或标准化的方法来指定另外的功能性结构的一个液压系统.这种情况强调需要有一个自动检测预期的结构信息拓扑分析为追求这里是一个图论,并在下面,我们将会回落,对一些基本图形理论观念等多部,路径,或连接成分.这些概念都是用一种标准的方式,和中心思想的阐释,可以理解为一个专家在图论.在读者的方便规定所使用的.4.1.等级耦合类型不在意的走向普通图.以下德认证提供了一个映射规则,它把每一回路C的相关图液压.4.2.操作液压轴辨认阳离子前款正是德处理NES耦合类型但只给予较少的手段如何液压轴及联轴器,可以辨认署液压图.本款所概述的程序来完成这项任务,并得到了实现和验证了大型液压图书馆.详细描述了算法的基本概念,可以发现施泰因和舒尔茨(1998).分析程序分为三个步骤:预处理,斧头辨认阳离子,耦合式的决心.4.2.1.预处理预处理步骤,从一个抽象的,从电路三推其相关液压图生长激素.减少生长激素的复杂,但在它的地方,使斧头辨认阳离子可能,为所有生长激素是简单化署通过合并,删除和冷凝规则等说明这些规则的适用.即可阳离子进程意味着应用以下规则:控制路径删除.控制路径设置任何隔离特性液压轴.他们可以找到(去掉)容易生长激素.死亡分支删除.死科是一个子节点,其并非与控制或工作内容,其连通1特殊成分缺失.存在一些特殊组成,其相应的节点可以免去生长激素无精密调查.检查阀门的一个例子是这样的一个组成部分.回路解决.电路可能含有环状结构或部件并联.这些结构是没有必要的检测目的,如果他们既不含有也无法控制的一个工作单元注意到阀门在右边电路只是提供了一个辅助函数;它的背景,使用它无法控制的一个工作内容.这些和其他规则已经制订通过图形文法(罗森堡,1994年;施耐德,1993年).因为一个任意规则的适用范围,可能造成的次优即可阳离子的液压图一个偏序之间的规则已被撤销董事,其中管制规则执行.运行复杂的预处理是占主导地位的算法环路检测和评估(McHugh先生,1990年).4.2.2.斧头辨认阳离子确定了液压轴手段来寻求一套节点液压图,其对应的电路,实现某一特定功能.每一集都必须至少有一名工作单元和供电单元.此外,所有元件,也属于液压轴必须躺在一些路径之间的工作和供应元素.这一观察提出利用最短路径算法斧头辨认阳离子;重要代表是最短路径的算法(麦坎先生,1990年;塞奇威克,1992).为了液压轴,所有路径之间的供给要素和劳动要素的电路必须予以追究.因此,最短路径问题,必须解决为每个元素供应.每一运行的最短路径算法标签边缘的形式,有针对性树编码一个继承关系节点.所有部件,躺在同样的路向树同属液压轴.由于液压图多重必然存在两种不同的路径,从工作内容到一个供给因素.第二个路径,可以发现干脆删去一个边缘事件,对工作内容,然后用这笔最短路径算法.4.2.3.耦合型测定耦合型之间液压轴才能确定,如果所有元件的电路已指派至少一个轴.在大多数情况下,要求比较供应渠道之间的工作内容主要轴线.如果一个电路载有整整两轴,每一个耦合型可分级署搜查努力由于电路与N轴,联轴器之间所有斧头需要加以确定.用朴素的方式,上述搜寻努力进行2倍.如果在另一方面,一个电路含有大量的轴心只有一个耦合型,线性比较的次数是苏森就此某种财产及物耦合类型会有用.在一般性的,这种传递不能存在.不过,由于三板斧和信息耦合两种类型,我们有能力,以限制第三耦合的一个子集所有类型:让已知的耦合类型是A和B,一;二….4G的.随后的第三耦合C以下.说明另一种方式,一个较弱的耦合是不可能的,因为轴耦合间接经由第三轴.这个结论可以利用,以减少问题的复杂性耦合型测定.4.3.从图中的到定义该款不久重温了一些定义从图论,所用的文字.进行了深入研究,有兴趣的读者可参阅有关文献(容尼克尔,1990年;麦可先生,1990年)5.作用的结构信息artdeco电路设计进行了一次设计师发生在以下几个步骤:(1)需求的解释,(2)素描RST的溶液,(3)检查的决议电路对于句法几何逻辑,与尺寸的限制,(4)设计做案和阳离子重新演算.该计划的基本思路artdeco并非要取代这个程序,但支持它尽量简洁.在artdeco,部件选择,排列,衔接,尺寸,而模拟模型的制定过程是透明的.资料是必要的检查和模拟过程是从绘图(施泰因,1995年).例如:而划线两种成分的盖茨适当管道实例;在仿真artdeco侦测,时刻表,而活动过程中所造成的不连续元件状态变化,如从呼吸阀,可开启或关闭.描绘快照工作时编辑和模拟模式。在仿真中,用户可以触发事件的操作部件如开关或阀门.相关型号是立即更新的背景之下,从而使情感互动与运行体系.基本上,artdeco功勋的结构信息,在以下几个方面:1.合成模式.立场和气瓶阀的国家或减轻阀门直接¯竹示范合成过程.由拓扑分析模型,在合成,artdeco身体不矛盾的组合模式,在开始(施泰因等.,1998).2.制定设计知识.施泰因和火车头(1998)目前的设计语言,适合于电路设计.其办法旨在改善和适应初步的电路设计:设计知识是制定办法,我算阳离子规则,反过来下设一个行动特异性和位置特异性(究竟在哪里可以这样做?).使做案阳离子规则的一个工作概念,它是对双方都知道,其中部分属于中轴线和轴线如何耦合3.重点分析.第3清单分析的情况下,获利笔,从一个孤立的调查关键电路不能自动化上述任务但形式的必要前提,通过检测和隔离电路的液压轴.相比其他面向构件,水力静态模拟工具,利用结构信息,为追求artdeco超越目前的模拟技术6.总结和研究现状本研究的贡献是双重的.(1)它论述了结构性信息时,液压控制系统,及(2),既提供了系统的理论为基础的自动检测功能结构给予液压电路图.努力确立和结构检测资料与司法版.结构信息是一个先决条件时,实施水力设计知识,以知识为基础的系统.尤其是了解该系统的液压轴连同其偶合器,可利用在仿真中,要求解释控制概念的选择,电路图做案阳离子和诊断任务.与此相关的文件我们目前的研究包括以下核心问题:形式化设计知识.这些地区的人类专家的设计知识,明确指结构信息的辨认署和正式与尊重其处理,在我们的设计和分析环境artdeco.这两项规则是一个小例子,因为这种知识便于案例式液压控制系统的设计.液压轴建立适合大厦时,自动构建新的系统通过案例推理.基于这一思路,我们已经制定了一个原型设计助理,让用户以制订其设计理念,在功能水平一个范例是苦寻液压轴聚合物最佳的特异性功能,并在随后的一个步骤,这些楼宇都是自动规模和组成迈向一个新系统(斯坦,2000)。附录BStructuralanalysisincontrolsystemsdesignofhydraulicdrives1.IntroductionHydrostaticdrivesprovideadvantageousdynamicpropertiesandthereforerepresentamajordrivingconceptforindustrialapplications.Large-scalehydraulicsystems{suchasplantsinmarinetechnologyaswellasdrivesformachinetools}possessalargenumberofactuators.Consequently,sophisticatedinter-dependencesbetweensinglecomponentsorentiresubsystemsmayoccur,whichleadstoavarietyofchallenginganddemandingdesignandcontroltasks.Asarepresentativeexamplewithrespecttocomplexityanddimension,Itshowsthecircuitdiagramofacold-rollingplant(Wessling,1995;EbertshaÈuser,1994).Here,morethan20actuatorsworkonthecoiledsteelstripsDesigningsuchlargehydrauliccontrolsystemsimpliesasystematicprocedure.Inpractice,thisisdoneratherimplicitly}basedontheintuitionandtheexperienceofthehumandesigner.Thispaperintroducesasystematicsofhydrostaticdriveswhichrevealtheirunderlyingstructures,aswellasrelationsanddependenciesamongsubstructures.Thisapproachallowsathoroughstructuralanalysisfromwhichfundamentalconclusionsfortheautomationofthedesignprocesscanbedrawn.Theconceptsofthispaperhavebeenrealizedandintegratedwithinartdeco,aknowledge-basedsystemforhydraulicdesignsupport(Stein,1995).Currently,artdecocombinesbasicCADfacilitiestailoredto¯uidics,checkingandstructureanalysisalgorithms,simulationmethods,andbasicdesignruleprocessing.Theoperationalizationofhydraulicdesignknowledgerequiresaformaldefinitionandautomaticextractionofstructuralinformationfromacircuitdiagram.Thepapercontributeswithintheserespects;itisorganizedasfollows.Section2describesbothconceptuallyandexemplarilythestructurallevelsatwhichahydraulicsystemcanbeinvestigated.Section3brierydiscussesthebenefitsthatgoalongwithastructuralanalysis.Section4preciselydefinesdifferenttypesofcouplingsbetweenthefunctionalunitsofahydraulicsystem,henceestablishingabasisforacomputer-basedanalysis.Moreover,itisoutlinedhowastructuralanalysisisautomated.Section5outlinestheexploitationofstructuralinformationwithinartdeco.2.StructuralanalysisofhydraulicsystemsThemajorityofhydraulicsystemsisdesignedbyexploitingtheexperienceandintuitionofasingleengineer.Duetothelackofastructuralmethodology,athoroughanalysisofthesystemstructureisnotcarriedout.Instead,alimitedrepertoryofpossiblesolutionsisused,makingtheresulthighlydependentonthecapabilitiesoftheindividual.Suchanapproachissuitableonlyforrecurringdesigntaskswithlittlevariation.Inthefollowing,asystematicsofthestructuralset-upofhydraulicplantsisintroducedwhichleadstoaproblem-orientedsystemanalysis.Itsapplicationtoahydrostaticdrive}givenasapreliminarydesign}facilitatesaconsequentandpurposivederivationofstructuralinformation,whichisnecessarytomakethesystem'sbehaviormeetthecustomer'sdemands.2.1.StructurallevelsofhydraulicsystemsThesystematicsdevelopedhereisbasedonthreelevelsofabstraction(Vieretal,1996).Thedifferentiationbetweenfunctionalstructure,componentstructure,andsystem-theoreticalstructurecorrespondstosystemdescriptionsofdifferentcharacteristics.Fromthisdistinctionresultsanoverallviewofhowtoinuencethesystem'sbehaviortoillustratetheconceptofstructurallevels,wewillconcentrateonasamplesubsystemofthecold-rollingplant,thefour-rollstandissketched.Thefunctionalstructureshowsthefundamentalmodesofactionofahydrauliccircuitbyanalyzingthedifferenttasks(functions)theplanthastofulfill.Itrepresentssomekindofqualitativesystemdescription.Akeyelementwithinthefunctionalstructureistheso-called``hydraulicaxis'',whichisdefinedasfollows.Definition2.1(Hydraulicaxis).AhydraulicaxisArepresentsandfulfillsasubfunctionfofanentirehydraulicplant.Adefinestheconnectionsandtheinterplayamongthoseworking,control,andsupplyelementsthatrealizef(Vier,1996).Thehydraulicactuatorsofthefour-rollstandperformtwotaskseachofwhichdefinedbyadirectionalloadandmotionalquantities.ArepresentationoftherollstandatthefunctionallevelisgiveninFig.4.Thedetectionofhydraulicaxesandtheirinterdependencesadmitsfar-reachingconclusions,whicharestatedinSection3.Onthelevelofthecomponentstructurethechosenrealizationofafunctionisinvestigated.Thearrangementstructurecomprisesinformationonthehydraulicelements(pumps,valves,cylinders,etc.)aswellastheirgeometricandphysicalarrangement.Bytheswitching-statestructuretheentiretyofthepossiblecombinationsofswitchingpositionsischaracterized:Avalve,forinstance,canbeopenorclosed.depictstherepresentationoftherollstandatthecomponentlevel.Thesystemtheoreticalstructurecontainsinformationonthedynamicbehaviorofboththehydraulicdriveasawholeanditssinglecomponents.Commonwaysofdescribingdynamicsaredifferentialanddifferenceequationsorthestate-spaceform(Schwarz,1991)Thesystem-theoreticalviewcomprisesinformationonthecontrolledquantities,aswellasthedynamicbehaviorofthecontrolledsystem.TheblockdiagraminFig.7revealsthesystem-theoreticalstructureoftherollstand.Bycomparinganalysisandsimulationresultswiththeperformancedemandsatthedrive,adecisioncanbemadeforeachhydraulicaxiswhetheropen-orclosed-loopcontrolconceptsareadequate.Inafurtherstep,anappropriatecontrolstrategy(linear,nonlinear,etc.)canbeassigned(FoÈllinger,1992;Unbehauen,1994).Remarks.Whilethefunctionalstructureyieldsaqualitativerepresentation,thesystemdescriptionbecomesmorequantitativeatthecomponentandsystem-theoreticallevel,respectively.Moreover,theanalysisofthestructuralset-upshowsinwhichwaythebehaviorofahydraulicplantcanbeinuenced:(1)at®rst,thefunctionalstructuremustbeconsideredasinvariant,becauseitresultsfromthecustomer'sdemands.Onlyifthegivenstructureprovestobeunsatisfactory,amodification}resultingfromaheuristicanalysisapproach}isadvisable;(2)notethatatthecomponentlevel,acombinationofheuristicandanalyticmethodsisrequiredforthevariationorexchangeofhydraulicelements,whichformthecontrolledsystem;(3)thesystem-theoreticallevelfacilitatestheinvestigationofthedynamicbehavior:controltheoryprovidesananalyticapproachfortheselectionofasuitablecontrolstrategy,parameterization,etc.2.2.HydraulicaxesandtheircouplingsFocusingontheinvestigationofthefunctionalstructureofhydraulicsystems,thedetectionandevaluationofhydraulicaxesisofcentralinterest.Theiranalysiscontributestoadeeperunderstandingoftheinnercorrelationsoftheplantandprovidesanoverviewoftheenergyownswithrespecttothefunctionstobefulfilled.ThedefinitionofthehydraulicaxisgiveninSection2.1isbasedonthecriterionofelementsworkingtogetherinordertofulfillasinglefunction.Notethatseveralactuators(hydraulicmotors/cylinders)maycontributetothesamefunction,thusformingasinglehydraulicaxis.Beyondtheconsiderationofisolatedhydraulicaxes,itisnecessarytoinvestigatetheirinterdependences.Thefollowingcouplingtypeshavebeenworkedout.Applyingtheconceptoffunctionalstructuretothecold-rollingplantofFig.1,15hydraulicaxesalongwiththeircouplingscanbefound.Theleft-handsideofFig.9envisionsthemembershipofthecomponentsinthediagramtotheaxes,theright-handsideshowstheentirecouplingschemeintheformofatree.Electro-hydraulichydraulicservo-systems(EHSS)areextensivelyusedinseveralindustriesforapplicationsrangingfromhydraulicstampingandinjectionmoldingpressestoaerospaceflight-controlactuators.EHSSserveasveryefficientdrivesystemsbecausetheypossesahighpower/massratio,fastresponse,highstiffnessandhighloadcapability.Tomaximizetheadvantagesofhydraulicsystemsandtomeetincreasinglyexactingperformancespecificationsintermsofrobusttrackingwithhighaccuracyandfastresponse,highperformanceservocontrollersarerequired.However,traditionallinearcontrollers(Anderson,1988;Merritt,1967)haveperformancelimitationsduetothepresenceofnonlineardynamicsinEHSS,specifically,asquare-rootrelationshipbetweenthedifferentialpressurethatdrivestheflowofthehydraulicfluid,andtheflowrate.Theselimitationshavebeenwelldocumentedintheliterature;seeGhazy(2001),SunandChiu(1999),forexample.Severalapproacheshavebeenproposedtoaddresstheselimitations,includingtheuseofvariablestructurecontrol(Ghazy,2001;Mihajlov,Nikolic,Antic,2002),backstepping(Jovanovic,2002;Kaddissi,Kenne,Saad,2005,2007;UrsuPopescu,2002)andfeedbacklinearization(Chiriboga,Thein,Misawa,1995;Jovanovic,2002).Variablestructurecontrolinitsbasicformispronetochattering(GuglielminoEdge,2004)sincethecontrolalgorithmisbasedonswitching;however,severalmodificationshavebeenproposedtoaddressthisproblem(Ghazy,2001;GuglielminoEdge,2004;Mihajlovetal,2002).Back-steppingisatechniquethatisbasedonLyapunovtheoryandguaranteesasymptotictracking(Jovanovic,2002;Kaddissietal.,2005,2007;UrsuPopescu,2002),butfindinganappropriatecandidateLyapunovfunctioncanbechallenging.Thecontrollersobtainedusingthismethodaretypicallycomplicatedandtuningcontrolparametersfortransientresponseisnonintuitive.OtherLyapunovbasedtechniquesaddressadditionalsystemnonlinearitiessuchasfriction,butarealsopronetothesamedrawbacksasthoselistedforbackstepping(LiuAlleyne,1999).Feedbacklinearization,inwhichthenonlinearsystemistransformedintoanequivalentlinearsystembyeffectivelycancelingoutthenonlineartermsintheclosed-loop,providesawayofaddressingthenonlinearitiesinthesystemwhileallowingonetousethepoweroflinearcontroldesigntechniquestoaddresstransientresponserequirementsandactuatorlimitations.TheuseoffeedbacklinearizationforcontrolofEHSShasbeendescribedinChiribogaetal.(1995)andJovanovic(2002).InBro¨ckerandLemmen(2001)disturbancerejectionfortrackingcontrolofahydraulicflexiblerobotisconsidered,usingadecouplingtechniquesimilartothefeedbacklinearizationapproachproposedherein.However,thisapproachrequiresmeasurementsofthedisturbanceforcesandtheirtimederivatives,whichareunlikelytobereadilyavailableinapracticalapplication.Incontrasttotheabovementionedtechniques,whichareallfull-statefeedbackbasedapproaches,SunandChiu(1999)describethedesignofanobserver-basedalgorithmspecificallyforforcecontrolofanEHSS.AnadaptivecontrollerwhichusesaniterativeapproachtoupdatecontrolparametersandaddressesfrictionaleffectswithminimalplantanddisturbanceknowledgeisproposedinTar,Rudas,Szeghegyi,andKozlowski(2005)basedonthemodeldescribedinBro¨ckerandLemmen(2001).Mostoftheliteratureonthesubjectshowssimulationresults;notableexceptionswithactualexperimentalresultsareLiuandAlleyne(1999),NiksefatandSepehri(1999),SugiyamaandUchida(2004),andSunandChiu(1999).Thefocusofthisstudyisonpresentingacontrollerdesignapproachthatiscomprehensive,thatis,onethatcoversdisplacement,velocityanddifferentialpressurecontrol,addressesthenonlinearitiespresentinEHSSandconsiderspracticalissuessuchastransientresponseandreal-timeimplementation.Thus,asignificantportionofthepaperisdedicatedtotheexperimentalaspectsofthestudy.Inaddition,thispaperisintendedtoserveasaclearguideforthedevelopmentandimplementationoffeedbacklinearizationbasedcontrollersforEHSS.Thepaperisorganizedasfollows:Section2describestherotationalhydraulicdrivethatisusedasanexperimentaltestbench.Inthissection,themathematicalmodelofthesystemisalsoreviewedandvalidatedusingexperimentaldata.Section3describesthedesignofPIDcontrollersforthissystemwithsimulationandexperimentalresultsthatserveasabaselineforevaluatingtheperformanceofthefeedbacklinearizationcontrollers;Section4describesthedesignandimplementationofthefeedbackinearizationcontrollersandfinally,concludingremarksareprovidedinSection5.Thegoalofthisresearchistoreviewthenonlineardynamicsofarotationalhydraulicdrive,studyhowthesedynamicsleadtolimitationsinPIDcontrollerperformance,andtodesignandimplementservo-controllersappropriatefordisplacement,velocityandpressurecontrol.Feedbacklinearizationtheoryisintroducedasanonlinearcontroltechniquetoaccomplishthisgoalinthisstudy,andthecontrollersdesignedusingthismethodarevalidatedusingexperimentaltests.Fromthesetests,itcanbeseenthatforhydraulicsystemsthathavenonlinearcharacteristics,feedbacklinearizationtheoryprovidesapowerfulcontrolstrategythatclearlyimprovesonPIDcontrolintermsoftrackingprecisionandtransientresponse.Theresultsshowthatthesystemcanbemodeledwithsufficientaccuracytoeffectivelyimplementthecontrollers.Thisstudyislimitedtothecontrolofarotationalhydraulicdrive.Theapplicationoffeedbacklinearizationtheorytothecontrolofmorecomplexintegratedrotationalandlineardrives,aswellasothereffectssuchasfriction,maybeconsideredasfutureextensionsofthiswork.Despitehavingadvantagesintermsofsimplicity,thesimulationandexperimentalresultsoftheprevioussectionindicatethatPIDcontrolhaslimitationsintermsoftrackingperformanceforhydrauliccontrol,andthattheselimitationsaretheconsequenceofthenonlinearnatureofhydraulicsystems.Thenonlinearityisnowaddressedusingthetechniqueoffeedbacklinearization(Goodwine&Stepan,2000;Khalil,1996)andthedesignprocessforobtainingafeedbacklinearizationbasedcontrollerforthesystemconsideredhereinisdescribed.Thedeficiencyassociatedwiththeinabilityofcurrentanalysismethodstohandlelargesystemsisthathydrauliccontrolsystemsthatarepredictedtobestablesometimesexhibitnonlinearpressureoscillationsofsufficientlylargeamplitudetoseriouslydegradesystemperformance[2].Animprovedmethodforquantifyingthestabilityrobustnessoflargehydraulicsystemsusingabifurcation-basedprocedureisthetopicofcurrentresearch.Bifurcation-basedprocedureshavebeenusedbyanumberofresearcherstoanalyzethestabilityofvarioustypesofsystems[3–5],andKremerandThompson[1]haveshownthatananalysisprocedurebasedonthecomputationoftheclosestHopfbifurcationcanefficientlyquantifythestabilityrobustnessofahydraulicpositioncontrolsystemwithalarge(7-dimensional)parameterspace.Severalimportantissuesfortherobuststabilityanalysisoflargesystemswereaddressedinthatwork,includingnormalizationsfordealingwithnonhomogeneousparameterspacesandtheuseoftolerancerangelimitsinaparameteranalysis.Anumberofadditionalissuesmustbeaddressedtohandlethegeneralcaseoflargenonlinearsystems,includingthedevelopmentofproceduresfordealingwiththepossibilityofmultipleoscillatorymodes(whereamodeisdefinedasanoscillationwithauniquefrequencyandmodeshape),determiningthephysicalmeaningofeachoscillatorymode,andguaranteeingthatresultsarenotjustvalidcallybutalsoglobally.Thepurposeofthisresearchistoprovideneededenhancementstothecurrentmethodsforrobuststabilityanalysisoflargenonlinearsystems,resultinginimprovedunderstandingofpossiblesystemresponsesandincreasedrigorintherobustnesspredictions.Abifurcation-basedprocedurewasdevelopedandshowntoprovide‘‘practicallyrigorous’’stabilityrobustnesspredictions,withtherigorprovidedbyashiftoffocusfromanalyzingallpossiblesystemstolocatingallpotentialresponsemodes.Additionally,thebifurcation-basedprocedurehasasymbioticrelationshipwithnumericalsimulationanalysisinthattargetedsimulationsareusedtovalidateandaddrigortothequalitativerobustnesspredictions,plusresultsofthebifurcation-basedanalysisareusedtoinformandenhanceafullNLanalysis(usingsimulations)beyondthestabilityboundary.Fordemonstrationandvalidation,thenewCBMGSanalysismethodwasusedintherobuststabilityanalysisofalargeautomatictransmissionhydraulicsystemwitha9-dimensionalstatespaceanda24-dimensionalparameterspace.Eventhoughtheobuststabilityofthissystemcouldhavebeenapproximatedusingthecommonmethodbasedonagridofsimulations,theresultswouldnothavebeenaspreciseorasrigorousandtheunderstandingofthesystemandthepossibleresponseswouldhavebeensignificantlyreduced.Noexperimentalvalidationshavebeencompletedonthisactualmodel;howeverthesimulationresults,whichagreewellwiththebifurcation-basedpredictions,havebeenverifiedpreviouslybyexperimentforsimilarsystems.Along-termgoalforthisresearchistoanalyzeandexperimentallyvalidatethebifurcation/simulationanalysisprocedurefora‘‘full-scale’’automatictransmissionhydraulicsystem.Fordemonstrationandvalidation,thenewCBMGSanalysismethodwasusedintherobuststabilityanalysisofalargeautomatictransmissionhydraulicsystemwitha9-dimensionalstatespaceanda24-dimensionalparameterspace.Eventhoughtherobuststabilityofthissystemcouldhavebeenapproximatedusingthecommonmethodbasedonagridofsimulations,theresultswouldnothavebeenaspreciseorasrigorousandtheunderstandingofthesystemandthepossibleresponseswouldhavebeensignificantlyreduced.Noexperimentalvalidationshavebeencompletedonthisactualmodel;howeverthesimulationres