CN100494698C - 一种动态补偿液压伺服阀零漂的方法 - Google Patents

Abstract

一种动态补偿液压伺服阀零漂的方法。在轧机液压缸上安装位移传感器，油压传感器和伺服阀，通过PLC高速数据采集模块读取液压缸的位移检测和油压信号，计算液压伺服阀零漂补偿量，控制伺服阀开口度进行液压缸位置闭环调节。本发明的积极效果是可用于任何HAPC算法，即可保证原系统的响应速度，又极大的提高了原系统的静态控制精度。

Description

一种动态补偿液压伺服阀零漂的方法

技术领域

本发明属于板带轧制中液压缸自动位置控制(HAPC)技术领域，特别涉及一种动态补偿液压伺服阀零漂的方法。

背景技术

HAPC调节器是把由位移传感器测量得到的实际液压缸位置与位置给定值相比较，偏差信号经调节器运算，D/A输出运算，功率放大器放大后，调节伺服阀开口度，控制液压缸活塞运动，完成液压缸位置闭环控制。HAPC控制系统原理如图1所示，HAPC控制系统方框图如图2所示。

图2中的HAPC调节器一般选用PID控制器，考虑到轧机系统对液压缸位置控制的动态响应速度有极高的要求，通常HAPC调节器选用P控制器。

液压伺服阀都不可避免的有零漂现象。表现为当伺服阀控制量为零时，伺服阀有持续的泄漏，则液压缸有持续的位移。

零漂量是指当伺服阀控制量为μ时，液压缸无持续的位移。当HAPC调节器选用P控制器时，由零漂引起的静态误差量为ε＝μ/P，例如：μ＝5(表示伺服阀开口度的5％)时，P＝500，静态误差ε＝μ/P＝5/500＝0.01mm。

目前解决零漂的方法有两种：

1、选用PI控制器作为HAPC调节器，通过引入积分控制器将零漂消除，达到动态消除静态误差的目的。但是这样做的代价是牺牲系统的动态响应速度；

2、将PI控制器的稳态输出值采样求出平均值，作为HAPC调节器的零漂量μ，采用P控制器的输出量加μ作为HAPC调节器的伺服阀控制量。这样做只能在一段时期内消除零漂，但是随着液压系统运行，零漂会随现场条件变化而发生变化，静态误差也相应的发生变化。这种方法不能从根本上降低静态误差。

这两种方法都存在缺陷，无法兼顾系统的动态响应速度快的要求和静态误差小的要求。

发明内容

针对现有HAPC系统存在的问题，本发明提供了一种动态补偿液压伺服阀零漂的方法，其具有动态调节，系统响应速度快，误差低的优点。

本发明对原系统的HAPC调节器不进行任何修改，只需要在HAPC调节器和伺服放大器(D/A转换器)之间插入动态补偿器即可，通过PLC高速数据采集模块读取位移传感器的位移检测信号和油压传感器的油压信号；将位移检测信号与液压缸给定位置信号的差值输入给HAPC调节器并将油压信号反馈给HAPC调节器，以计算液压伺服阀零漂补偿量，即计算动态补偿器的第i时刻的输出值U(i)，通过液压伺服阀零漂补偿量控制液压伺服阀开口度以进行液压缸位置闭环调节，具体做法如图3所示，将原系统HAPC调节器的输出连接到动态补偿器的输入端，动态补偿器的输出连接到伺服放大器的输入端。动态补偿器功能是通过嵌入PLC的动态补偿量计算软件来实现，该软件依照动态补偿算法计算补偿量。动态补偿器的原理如图4所示。

算法公式为：U(i)＝U_a(i)+αμ(i)＝U_a(i)+αlim(U(i-1)，HL，LL)    (1)

其中U_a(i)为HAPC调节器第i时刻的输出值，U(i)为动态补偿器的第i时刻的输出值，α为调节系数，HL，LL为上下限幅。算法只需要确定的参数HL，LL和α。

[规定1]：U，U_a，μ，HL，LL取值范围为(-100，100)，表示伺服阀开口度控制量，—100表示负向最大开口，100表示正向最大开口。

[规定2]：误差E单位为mm，APC调节器选P调节器，则U_a(i)＝PE(i)，P的单位为

1、确定HL，LL：首先将HL，LL均置为0，则U(i)＝U_a(i)。对系统稳定状态下的U(i)多次采样求平均作为系统目前的零漂值： $\mathrm{\μ}=\underset{i\→\∞}{\lim }U\left(i\right)$ ，取HL＝|μ|+2，LL＝-HL。

2、确定α：HAPC调节器选P调节器，由U_a(i)＝PE(i)，则系统静态误差： $\underset{i\→\∞}{\lim }E\left(i\right)=\underset{i\→\∞}{\lim }\frac{1}{P}{U}_a\left(i\right),$

由公式(1)得：U_a(i)＝U(i)-αlim(U(i-1)，HL，LL)，而系统进入稳态后，U(i-1)进入(LL，HL)范围内，则lim(U(i-1)，HL，LL)＝U(i-1)，得出系统静态误差为：

$\underset{i\→\∞}{\lim }E\left(i\right)=\underset{i\→\∞}{\lim }\frac{1}{P}[U\left(i\right)-\mathrm{\αlim}(U(i-1),\mathrm{HL},\mathrm{LL})]=\underset{i\→\∞}{\lim }\frac{1}{P}[U\left(i\right)-\mathrm{\αU}(i-1)]---\left(2\right)$

由此可见，当α＝1时，系统静态误差 $\underset{i\→\∞}{\lim }E\left(i\right)=\underset{i\→\∞}{\lim }\frac{1}{P}[U\left(i\right)-U(i-1)]=0,$ 然而这种情况往往会引起系统振荡，所以α要取小于1的数值，通过研究得出α取值在(0.8，0.9)范围内效果较好。

本发明与已知技术相比其明显的特点和积极的效果是：本发明提供一种即不降低原系统动态响应速度又兼有静态高精度的动态补偿液压伺服阀零漂的方法，从而提高HAPC调节器的位置控制精度。可以看出本发明较现有技术具有显著进步。

附图说明

图1是现有的HAPC控制系统原理图；

图2是现有的HAPC控制系统方框图；

图3是本发明的HAPC控制系统方框图；

图4是动态补偿算法方框图；

图5是动态补偿器接口定义；

图6是本发明控制系统结构示意图；

图7是本发明动态补偿器程序流程图；

图中：1HAPC调节器，2伺服放大器，3伺服阀，4液压缸，5油压传感器，6压力传感器，7位移传感器，8轧机，9变增益，10压力限幅调节器，11位置控制器，12动态补偿器，13轧件，U_a为HAPC调节器输出值，α为调节系数，HL，LL为上下限幅，Enable为动态补偿器开关，U为动态补偿器的输出值。

具体实施方式

如图3所示，本发明包括HAPC调节器，动态补偿器，伺服放大器，伺服阀，液压缸并依次相连；在液压缸与HAPC调节器之间连有油压传感器和压力传感器；在液压缸与HAPC调节器之间连有位移传感器。HAPC调节器根据位置给定和实测值之间的偏差，控制伺服阀开口度进行液压缸位置闭环调节。其中：动态补偿器程序如图7所示，动态补偿器的原理如图4所示，其所用动态补偿算法步骤如下：

算法公式为：U(i)＝U_a(i)+αμ(i)＝U_a(i)+αlim(U(i-1)，HL，LL)     (1)

其中U_a(i)为HAPC调节器第i时刻的输出值，U(i)为动态补偿器的第i时刻的输出值，α为调节系数，HL，LL为上下限幅。算法只需要确定的参数HL，LL和α。

[规定1]：U，U_a，μ，HL，LL取值范围为(-100，100)，表示伺服阀开口度控制量，—100表示负向最大开口，100表示正向最大开口。

[规定2]：误差E单位为mm，APC调节器选P调节器，则U_a(i)＝PE(i)，P的单位为

1、确定HL，LL：

首先将HL，LL均置为0，则U(i)＝U_a(i)。对系统稳定状态下的U(i)多次采样求平均作为系统目前的零漂值： $\mathrm{\μ}=\underset{i\→\∞}{\lim }U\left(i\right),$ 取HL＝|μ|+2，LL＝-HL。

2、确定α：

APC调节器选P调节器，由U_a(i)＝PE(i)，则系统静态误差： $\underset{i\→\∞}{\lim }E\left(i\right)=\underset{i\→\∞}{\lim }\frac{1}{P}{U}_a\left(i\right),$

由公式(1)得：U_a(i)＝U(i)-αlim(U(i-1)，HL，LL)，而系统进入稳态后，U(i-1)进入(LL，HL)范围内，则lim(U(i-1)，HL，LL)＝U(i-1)，得出系统静态误差为：

$\underset{i\→\∞}{\lim }E\left(i\right)=\underset{i\→\∞}{\lim }\frac{1}{P}[U\left(i\right)-\mathrm{\αlim}(U(i-1),\mathrm{HL},\mathrm{LL})]=\underset{i\→\∞}{\lim }\frac{1}{P}[U\left(i\right)-\mathrm{\αU}(i-1)]---\left(2\right)$

由此可见，当α＝1时，系统静态误差 $\underset{i\→\∞}{\lim }E\left(i\right)=\underset{i\→\∞}{\lim }\frac{1}{P}[U\left(i\right)-U(i-1)]=0,$ 然而这种情况往往会引起系统振荡，所以α要取小于1的数值，通过研究得出α取值在(0.8，0.9)范围内效果较好。根据控制精度要求，确定调节系数α，通常取0.85；

当HAPC调节器第一次输出信号时：U(0)＝U_a(0)；

当HAPC调节器第二次输出信号时：U(1)＝U_a(1)+αlim(U(0)，HL，LL)；

当HAPC调节器第三次输出信号时：U(2)＝U_a(2)+αlim(U(1)，HL，LL)；

……

当HAPC调节器第i次输出信号时：U(i)＝U_a(i)+αlim(U(i-1)，HL，LL)。

当设置HAPC调节器参数：P＝500，μ＝5，动态补偿器确定参数如下：

HL＝|μ|+2＝7，LL＝-HL＝-7，即(LL，HL)＝(-7，7)；取α＝0.85；

则由公式(2)得系统静态误差：

$\underset{i\→\∞}{\lim }E\left(i\right)=\underset{i\→\∞}{\lim }\frac{1}{P}[U\left(i\right)-\mathrm{\α}U(i-1)]=\frac{1-\mathrm{\α}}{P}\underset{i\→\∞}{\lim }U\left(i\right)=\frac{1-\mathrm{\α}}{P}\mathrm{\μ}=0.0015\mathrm{mm};$

如果不使用动态补偿器(α＝0)，则系统静态误差为 $\underset{i\→\∞}{\lim }E\left(i\right)=\frac{1}{P}\mathrm{\μ}=0.01\mathrm{mm}.$ 由此可见动态补偿器将原系统的静态误差降低85％。而且由于(LL，HL)的限制，动态补偿器对原系统的动态特性几乎没有影响。

本方法在实际应用中的效果：

1、在3000mm中厚板轧机HAPC调节器中，液压站工作压力28Mpa，液压缸内径1100mm，液压缸行程50mm，背压压力3Mpa，液压缸位移传感器分辨率1μm，伺服阀选MOOG-D792。应用本发明，可以将液压缸位置静态误差控制在±2μm之内。

2、在450mm单机架可逆冷轧机HAPC调节器中，液压站工作压力21Mpa，液压缸内径300mm，液压缸行程50mm，背压压力1Mpa，液压缸位移传感器分辨率1μm，伺服阀选FF102-30。应用本发明，可以将液压缸位置静态误差控制在±2μm之内。

Claims (3)

1.一种动态补偿液压伺服阀零漂的方法，其特征在于：在轧机液压缸上安装位移传感器，油压传感器和液压伺服阀；在HAPC控制系统中的HAPC调节器和伺服放大器之间插入动态补偿器；通过PLC高速数据采集模块读取位移传感器的位移检测信号和油压传感器的油压信号；将位移检测信号与液压缸给定位置信号的差值输入给HAPC调节器并将油压信号反馈给HAPC调节器，以计算液压伺服阀零漂补偿量，即计算动态补偿器的第i时刻的输出值U(i)，通过液压伺服阀零漂补偿量控制液压伺服阀开口度以进行液压缸位置闭环调节；其中计算液压伺服阀零漂补偿量公式：

U(i)＝U_a(i)+αμ(i)＝U_a(i)+αlim(U(i-1)，HL，LL)

其中U_a(i)为HAPC调节器第i时刻的输出值，U(i)为动态补偿器的第i时刻的输出值；α为调节系数，α<1；HL，LL为上、下限幅，取值范围为(-100，100)。

2.如权利要求1所述的动态补偿液压伺服阀零漂的方法，其特征在于所述液压伺服阀零漂补偿量公式的计算按以下步骤：

步骤一、观察HAPC调节器的稳定输出量，明确液压伺服阀的零漂范围，在此基础上确定液压伺服阀零漂补偿量的限幅值： $\mathrm{\&mu;}=\underset{i\&RightArrow;\&infin;}{\lim }U\left(i\right),$ 取HL＝|μ|+2，LL＝-HL；

步骤二、确定调节系数α为0.8～1；

步骤三、计算第i时刻的液压伺服阀零漂补偿量U(i)：

U(i)＝U_a(i)+αμ(i)＝U_a(i)+αlim(U(i-1)，HL，LL)

其中U_a(i)为HAPC调节器第i时刻的输出值。

3.如权利要求2所述的动态补偿液压伺服阀零漂的方法，其特征在于步骤三中递推公式U(i)＝U_a(i)+αlim(U(i-1)，HL，LL)的具体计算步骤如下：

第一步：U(0)＝U_a(0)；

第二步：U(1)＝U_a(1)+αlim(U(0)，HL，LL)；

第三步：U(2)＝U_a(2)+αlim(U(1)，HL，LL)；

……

第i步：U(i)＝U_a(i)+αlim(U(i-1)，HL，LL)。

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