CN1010510B - 动力传动装置 - Google Patents

Abstract

动力伺服系统包括与负荷耦合且接收代表负荷所需运动输入指令信号的执行机构。采样数据控制系统对代表液压执行机构和负荷所需及实际运动的输入信号予以接收和采样，并为执行机构提供所需运动的驱动信号，该系统含带有串联和反馈补偿的数字处理电路，其补偿与液压系统传递函数协调。所述电路中不同方程常数要周期地重新计算。本发明实施方案中。这些常数作为系统特性的函数予以重算；或系统常数是据单独由操作员可变的(或遥控系统)输入(a)重算的。

Description

本发明是关于动力传动装置，特别是关于电动、电-气动和/或电-液伺服控制系统一类的动力伺服控制系统。

在电-液伺服控制系统中，一般的作法是提供代表受控机构上所要求的位置、速度和加速度的指令信号，并用相应的传感器装置测定受控机构上的实际位置、速度和加速度，再以指令信号与测定的运动参数之间用误差信号表示的差异来驱动液压执行机构。在受控机构上装设三个传感器或使其响应受控机构，不仅大大增加了伺服系统的总费用，且同时降低了系统的可靠性。上述缺点对日益要求降低成本、简化结构和高可靠性的工业自动装置技术领域来说更显突出。

美国4，502，109号专利公开了具有位置、速度和加速度三个动态变量的电-液伺服控制系统。控制系统包括一个与液压执行机构耦合的测定负荷位置的传感器，和一个响应所测位置以估计速度和加速度用的数字观测器。表示所测和/或预测状态变量的信号与输入状态指令信号进行比较得出差异或误差信号以驱动执行机构。监测装置的电子部件包括数字微处理机，此微处理机为可编程的并以解相应的线性方程来估计各状态变量。方程式的若干常数是执行机构和驱动质量特性的函数，这些常数通过对应的一系列可由操作人员调节的电阻器输入微处理机中。4，581，699号美国专利对原公开的专利进行了改进，把若干方程式常数从遥控系统加到监测装置的存储寄存器中。

虽然上述提及的专利申请中公开的技术在本领域中大有改进，但在许多方面还有待于完善。例如，在各输入采样间隔为解相应数量的方程 而需要对若干状态变量进行的计算相当费时，限制了操作速度和可完成的工作量。此外，要求将系统常数加到监测装置上，这种做法限制了诸如改变磨损或液压流体压力等条件的系统适应能力。

因此，本发明总的目的是提供一个能自行适应操作条件的伺服控制系统，即能周期性地校正系统的一些或全部常数以适应变化着的各种条件并能提高计算速度。

本发明的另一目的是提供既能达到上述目的又能经济可靠地实现上述目的的伺服控制系统。

本申请公开的各采样数据反馈控制系统，其控制是在离散的周期性的时间间隔内对各种控制信号和误差信号进行采样而实现的。具有这种特性的采样数据控制系统应和连续模拟控制系统区别开来。为了公开和说明起见，应把本发明的采样数据反馈控制系统，在结构和操作上看成是属于所谓采样数据或Z变换的区域。这种类型的系统可以用线性差分方程表示，其常数在采样间隔内变化不大，且从系统传递函数的Z变换能得出变量Z的有理多项式之比。这个变量是复变量，它与周知的拉普拉斯变换的变量S的关系可用下列方程表示

Z＝e^TS（1）

其中T为采样间隔。在Z变换理论中，传递函数、映射原理、组合定理和反变换等概念都和数据采样系统有关，这种关系在许多方面可与拉普拉斯变换对连续系统的关系相比较。拉奇尼（Ragazzini）和富兰克林（Franklin）著的《采样数据控制系统》一书（麦克劳希尔“Mc-Graw-Hill”一九五八年版）中全面论述了采样数据控制系统和Z变换理论。

根据本发明公开的实施例，采样数据控制系统接收表示液压执行机构和负荷上所要求的和实际运动的输入信号并对其采样，还为执行机构 提供获得要求的运动所需的控制信号。这种采样数据控制系统包括有串联和反馈补偿的数字处理电路，且其与液压系统的特性函数相协调，以形成在采样数据或Z变换区域内完整的闭路控制系统操作。串联和反馈补偿电路中的各差分方程常数是在各采样间隔重新计算的。在本发明的实施例中，这些常数是作为系统性能的函数重新计算的，以使系统控制随操作条件或负荷自动变化。在本发明的另一实施例中，系统常数是根据一单运算变量（或遥控系统）输入进行计算的，这样能适应由操作人员实现的系统性能的快速跟踪，同时节省计算时间。

从以下面的说明，所附的权利要求和附图可更好地了解本发明及其目的、特点和优越性，其中：

图1是根据先有技术，基本的电-液伺服控制系统的功能方框图;

图2是根据本发明的基本电-液控制系统的功能方框图;

图3是根据本发明的实施例，针对图2的采样数据数字控制器更详细的功能方框图;

图4是根据本发明的第二实施例，对应图2的采样数据数字控制器详细的功能方框图;

图5是解释本发明另一实施例的部分方框图;

图6是说明本发明另一实施例工作的曲线图;

图7是根据本发明目前较佳实施例的电子控制器的电气原理图。

图1说明了常规的位置指令电-液伺服控制系统10，它包括阀执行机构系统或装置12，该装置有由执行机构耦合到负荷上的电动液压阀。包括负荷在内的执行机构，其特征是具有惯性质量和弹簧伸缩性。位置传感器或转换器14通过适当的机械方法耦合到执行机构和负荷上以提供作为实际执行机构和负荷位置函数的电气输出信号Y。来自操作人员控制杆15的位置指令或参考信号R馈入加法器16中，加法器16发出作为指令信号R和实际位置信号Y二者之差的函数的误差信号E。此误差信 号E经具有增益的放大器18控制执行机构12的动作。值得指出的是，加法器16和放大器18一般是组合在一个放大装置中。系统12和传感器14可以是任何适当的类型，而且可以装在一个组合件中。

图2是配备根据本发明的采样数据数字控制器22的电-液伺服控制系统20。在控制器22中，第一采样和保持电路24接收并采样来自控制杆15的指令信号R，同时在采样数据区域内提供相应的经Z变换的输出信号R（Z）。第二采样和保持电路26从传感器14接收并采样位置信号Y，同时在采样数据区域内提供相应的Z变换输出信号Y（Z）。反馈补偿器28接收电路26的输出Y（Z）并给加法器30的一个输入端提供补偿信号Q（Z）。加法器30从电路24接收第二个输入R（Z），并给串联补偿器32提供差值或误差信号E（Z）。补偿器32通过零阶保持电路33给装置12提供指令信号U（Z）。

对装有液压阀、执行机构和弹簧的电动液压装置12来说，可以看出装置12在采样数据区域的传递函数为：

$\frac{B_1{z}^2{\mathrm{+\; B}}_2{\mathrm{z\; +\; B}}_3}{Z^3{\mathrm{-a}}_1{Z}^2{\mathrm{+\; a}}_2{\mathrm{Z\; -\; a}}_3}\mathrm{(2)}$

其中B₁、B₂、B₃、α₁、α₂和α₃为装置参数和采样时间的常值函数。假设阻尼为零，则表达式（2）可简化为：

$\frac{B_1{Z}^2{\mathrm{+\; B}}_2{\mathrm{Z\; +\; B}}_1}{Z^3{\mathrm{-a\; Z}}^2\mathrm{+\; aZ\; -\; 1}}\mathrm{(3)}$

B₁B₂和α可用下式表示：

α＝2cosωT+1    （4）

B₁＝K₅（T- (sinωT)/(ω) ） （5）

B₂＝2K₅（ (sinωT)/(ω) -TcosωT） （6）

其中K₅为增益常数，T为采样周期，ω为装置12的中心稳定谐振频率。所有这些常数都可以根据本发明将论述的最佳方法测出或估算出。系统或装置12的传递函数就此作为装置特性的函数预先确定下来。

选择补偿器28、32的Z域传递函数的阶是为了求出所要求的阶跃响应和计算时间。在本发明的较佳实施例中，补偿器28的传递函数为：

Q（Z）＝ (（G₁z²+ G₂z+G₃))/(P(z)) Y（Z）（7）

补偿器32的函数为：

U（Z）＝［ (P(z))/(z³+c₁z²+c₂z+c₃) ］E（Z）（8）

其中G₁、G₂、G₃、C₁、C₂和C₃都是常数，P（Z）为Z的多项式，在其后讨论的本发明较佳实施例中它设定为1。此外还应考虑补偿器32的传递函数所用的一阶和二阶多项式。因此，一般说来，若装置12的传递函数在Z域中为N阶，而且N为大于1的整数，则补偿器28的传递函数为N-1阶，补偿器32的传递函数为N阶或小于N阶（即不大于N）。

要使包括装置12和控制器22在内的整个系统稳定，所有极点必须在Z平面单位圆内（见拉卡奇尼和富兰克林上述文章第四章）。实现（3）、（7）和（8）式各函数的整个闭环传递函数为以Z表达的六阶函数。因此需要有六个极点。在Z平面单位圆-a的位置选择所有六个极点，则： （Z-e^-aT）⁶＝Z⁶-6e^-aTZ⁵+15e^-2aTZ⁴-20e^-3aTZ³+15e^-4aTZ²-6e^-5aTZ+e^-6aT（9）

合并表达式（2）、（6）和（7）并使各系统与方程（8）中的相应系数等同起来，则得出：

C₁＝α-6e^-aT

通过极点位置-a的一给定值和方程（4）-（6）的各常数值B₁B₂和α，可以解方程（10）求出常数G₁、G₂、G₃、C₁、C₂和C₃。

图3是改进后的控制器34，其中常数α、B₁和B₂是根据系统特性连续估计和校正的，而内部传递函数的常数C₁、C₂、C₃和G₁、G₂、G₃也是用同样的方法进行校正以得到所要求的特性。图3中辨识器36接收电路26的Z变换位置输出Y（Z）（见图2）和来自补偿器32的Z域指令信号U（Z）。常数α，B₁和B₂由辨识器36估算出来（后面将谈到）并将该估算的常数馈入电路38中，其中常数C₁、C₂、C₃和G₁、G₂、G₃由方程（10）计算出来。然后把C₁、C₂、C₃和G₁、G₂、G₃六个常数馈给有关的补偿器32和28。

简而言之，辨识器36周期性地估计常数α、B₁和B₂，它们是对应于该系统的阶的前若干周期的指令信号U（Z）和系统响应Y（Z）的函数。更具体地说，在采样时间（KT-2T）内，装置12的离散方程为：

Y_k-2-αY_k-3+αY_k-4-Y_k-5＝B₁U_k-3+B₂U_k-4+B₁U_k-5（11）

在时间（KT-T）内，此方程为：

Y_k-1-αY_k-2+αY_k-3-Y_k-4＝B₁U_k-2+B₂U_k-3+B₁U_k-4（12）

在时间（KT），此方程为：

Y_k-αY_k-1+αY_k-2-Y_k-3＝B₁U_k-1+B₂U_k-2+B₁U_k-3（13）

方程（11）-（13）可以合并整理如下：

Y（Z）和U（Z）的值实质上是在所要求若干间隔内（即，对三阶装置来说为六个）被采样和储存起来的，由此再由方程（14）估算常数α、B₁和B₂。

在实时控制的应用中，已经发现由方程（14）估算常数α、B₁和B₂比所要求的更费时间。从方程（4）-（6）可以看出，B₁和B₂可以根据公共系数ω确定。按照将讨论的改进方案辨识器36（图3）先估计α，再以α估计B₁和B₂。但根据方程（4）-（6）进行的这种计算方法要用三角函数从而费时。因此可按下述方法先用泰勒级数展开式并忽略高次项重 写方程（4）-（6）：

α＝3-（ωT）²［1- ((wT)²)/12 ］(15）

B₁＝［1- ((wT)²)/20 ］（16）

B₂＝［1- ((wT)²)/10 ］（17）

取Y＝（ωT）²，解方程（15）求Y，于是得出：

Y＝6±2（3α）

（18）

正号对题解并不重要可以忽略不计，于是得出下列结果：

B₁＝ (TY)/6 （1- (Y)/20 ） （19）

B₂＝ (2TY)/3 （1- (Y)/10 ） （20）

因此，由方程（14）可以求出常数α，由方程（18）-（20）求出常数B₁和B₂。已经发现应用图7的实施例（下文将予介绍），按方程（18）-（20）估算B₁和B₂不仅比解方程（14）求α、B₁和B₂快而且更准确。

图4是对图3的改进方案，其中，经改进的辨识器40从可变电阻器42接收表示常数α的单输入值。常数B₁、B₂按方程（18）-（20）计算。因此这一改进是半自动化的，其中所有系统常数均可由一单个的、操作员可调的输入值导出。应该指出的是，加到辨识器40表示输入的α也可从位于远地的控制系统或类似系统馈入。图4的改进方案的优点是不用进行解矩阵方程（14）这项费时的工作。

通过图5的改进方案可以使图4的实施例具有半自适应性，而图5中改进的辨识器44还从补偿器32接收输入U（Z）。图6的曲线46表示最佳调谐系统中位置Y与补偿指令信号U（在时域中）的关系曲线。应 该指出的是，作为误差E的函数的指令信号U实质上是不振荡的。图6的曲线48表示系统调谐不当时的响应情况，即以电阻器42（图5）的调定不当时。改进的辨识器44调谐来自电阻器42的输入，为计算器38提供修正后的常数α′以及常数B₁和B₂。在本发明的一个实施例中即在调定过程中经计算U输入信号中的峰值来实现上述目的并修正α输入值来减小此峰值。在另一实施例中，U信号曲线的长度是在调定过程中由时间积分测定出来的，而α输入值则以内部修正来减少该长度。在所有这些实施例中，改进的辨识器44在调定和连续操作过程中都具有自适应性。

图7是目前较佳实施例中应用微处理机的电子控制器的电气原理图。R（Z）、U（Z）和α输入通过多路转换器电路50接到微处理机52的串联输入口。具有内程序存储器的微处理机52通过锁存器54和译码器56接到一对4k存储器组件58和60。微处理机52的输出口通过放大器62接到装置12的阀门执行机构线圈64。值得指出的是，在图4及图5中功能性示出的辨识器40（图4）或44（图5）、补偿器28、32、常数计算器38和零阶保持电路33都包含在程序微处理机52和有关的存储器中。

Claims (11)

1、一种动力伺服系统包括适应于不断变化的驱动负荷的执行机构装置(12)，该执行机构装置(12)具有预定的第一多项式传递函数，它具有在采样数据域内与该执行机构装置动态特性有关的多个第一常数(α、B₁和B₂)；

采样数据伺服控制装置(22)具有用以接收公共信号(R)的装置(24)；

传感器装置(14)响应所述执行机构装置用以提供传感器信号(Y)作为所述执行机构装置的作动函数；

装置(34)用以提供误差信号来控制该执行机构装置，它作为该指令信号(R)和该传感器信号(Y)的组合函数，以便在该执行机构装置上获得预选的响应特性；

其特征在于所述的用于提供所述误差信号的装置包括：

装置(26)用以对该传感器信号进行周期性采样以提供采样传感器信号(Y(Z))；

接收该采样传感器信号(Y(Z))并具有预选的第二传递函数的反馈补偿装置(28)，所述的第二传递函数配合上述第一传递函数以获取所述预选响应特性，处在采样数据域内的此第二传递函数是一个具有若干第二常数(G₁、G₂、G₃)的多项式，第二常数(G₁、G₂、G₃)作为第一常数(α、B₁、B₂)的函数而变；

用以估计所述第一常数的第一装置(36、40或44)；

能对所述第一装置(36、40或44)响应并耦合到所述反馈补偿装置(28)上的装置(38)，用以计算作为所估计的第一常数函数的所述第二常数(G₁、G₂、G₃)；

能对所述反馈补偿装置(28)和所述指令信号(R)进行响应以提供该误差信号(E(Z))的装置(24，30)。

2、根据权利要求1的系统，其特征在于，该系统还包括串联补偿装置（32），它响应上述误差信号（E（Z））以提供驱动信号（U（Z））给该执行机构装置（12），所述串联补偿装置（32）具有属于采样数据域的第三传递函数，且为具有若干第三常数（C₁、C₂、C₃）的多项式，这些常数作为第一常数（α、B₁、B₂）的函数而变;所述系统还包括第三装置（38）它与所述第一装置（36、40或44）耦合，用以计算作为所估计的第一常数函数的该第三常数（C₁、C₂、C₃）。

3、根据权利要求2的系统，其特征在于，所述第一传递函数是在采样数据域的N阶多项式，而其第二传递函数是在采样数据域的N-1阶多项式，所述的第三传递函数是在采样数据域的其阶数不大于N的多项式，N为大于1的整数。

4、根据上述任一权利要求的系统，其特征在于，所述第一装置（36、40或44）包括能响应在若干采样间隔加到所述执行机构装置（12）的驱动信号（U（Z））和所述采样传感器的信号（Y（Z））的装置（36或44），以提供所述第二常数（G₁、G₂、G₃）或第二和第三常数（G₁、G₂、G₃和C₁、C₂、C₃），它们是作为所述执行机构装置的执行情况的连续函数。

5、根据权利要求4的系统，其特征在于，所述第一装置（36、40或44）包括可接收代表所述第一常数之一的输入信号（α）的装置，和可估计其余的第一常数（B₁、B₂）的装置，后者可以认为是所述驱动信号（U（Z））与所述第一常数之一α的组合函数。

6、根据权利要求1至3任一项的系统，其特征在于，所述第一装置（36、40或44）包括用以接收代表上述第一常数之一输入信号（α）的装置（40或44），和响应所述输入（α）以估计其余的所述第一常数（B₁、B₂）的装置。

7、根据权利要求6的系统，其特征在于，所述装置（40或44）包括估计所述第一常数的所述剩余的（B₁，B₂）的装置（44），它是作为加到所述执行机构环槽（recess）（12）的驱动信号（U（Z））和输入信号（α）的组合函数。

8、根据权利要求7的系统，其特征在于，所述装置（44）包括可响应输入信号（α）以估计所述第一常数（α′）之一的装置，和响应所述驱动信号（U（Z））以修正所述第一常数（α′）之一的装置，后者为执行机构装置（12）执行情况的函数。

9、根据上述任一权利要求的系统，其特征在于，所述执行机构装置为电动液压执行机构，其中在采样数据域中的第一传递函数可由下式表达：

$\frac{B_1{Z}^2{\mathrm{+\; B}}_2{\mathrm{Z\; +\; B}}_1}{Z^3{\mathrm{-a\; Z}}^2\mathrm{+\; aZ\; -\; 1}}$

其中B₁、B₂和α为装置参数的常值函数，可用下列方程表示：

α＝2cosωT+1

B₁＝K₅（T- (sinωT)/(ω) ）

B₂＝2K₅（ (sinωT)/(ω) -TcosωT）

其中K₅为增益常数，T为采样周期，ω为该执行机构装置中心稳定谐振频率，Z为采样数据域转换变量。

10、根据权利要求9的系统，其特征在于，所述第二传递函数可用下式表示：

G₁Z²+G₂Z+G₃

所述第三传递函数可由下式表达：

$\frac{1}{z^3{\mathrm{+\; C}}_1{z}^2{\mathrm{+\; C}}_2{\mathrm{z+C}}_3}$

其中G₁、G₂、G₃、C₁、C₂、C₃为与所述常数α、B₁和B₂有关的常数，可以下式示出：

C₁＝α-6e^-aT

11、根据权利要求10要求的系统，其特征在于，还包括可接收代表所述常数α的装置，和按下式依所述输入信号估计常数B₁、B₂的装置：

B₁＝ (TY)/6 （1- (Y)/20 ）

B₂＝ (2TY)/3 （1- (Y)/10 ）

其中Y＝6+2（3α）

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