CN101464681A - 一种伺服控制器及电液伺服系统 - Google Patents
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Abstract
本发明适用于伺服控制领域，提供了一种伺服控制器及电液伺服系统，所述伺服控制器包括：闭环控制单元，用于根据接收到的控制信号和反馈信号采用PIDF控制算法产生驱动信号；伺服阀驱动单元，用于根据所述闭环控制单元产生的驱动信号控制外部伺服装置动作；单片机设定单元，用于对所述闭环控制单元进行参数设定；以及电源单元，用于向所述闭环控制单元、所述伺服阀驱动单元和所述单片机设定单元供电。本发明中，闭环控制单元采用PIDF控制算法，利用PID调节器实现自动控制增益，并且通过单片机设定单元调整增益参数，调整简单灵活且精度高，从而伺服控制器的实时性和可互换性增强。
Description
技术领域
本发明属于伺服控制领域，尤其涉及一种伺服控制器及电液伺服系统。
背景技术
电液伺服技术应用非常广泛，伺服控制器作为整个电液伺服系统的控制神经中枢，是电液伺服系统能否可靠、安全工作的关键所在。目前常用的伺服控制器多为模拟控制器，自动化程度较低，控制参数修改繁琐且电液伺服系统不具有可视性，另外控制器对控制对象比较敏感，往往是一套液压伺服单元专配一套控制器，可互换性较差，特别是力控回路对负载尤其敏感，这对调整参数的技术人员的技术水平要求较高。
发明内容
本发明实施例的目的在于提供一种伺服控制器，旨在解决目前的伺服控制器自动化程度低、控制参数修改繁琐且互换性差的问题。
本发明实施例是这样实现的，一种伺服控制器，所述伺服控制器包括：
闭环控制单元，用于根据接收到的控制信号和反馈信号采用PIDF控制算法产生驱动信号；
伺服阀驱动单元，用于根据所述闭环控制单元产生的驱动信号控制外部伺服装置动作；
单片机设定单元，用于对所述闭环控制单元进行参数设定；以及
电源单元，用于向所述闭环控制单元、所述伺服阀驱动单元或所述单片机设定单元供电。
本发明实施例的另一目的在于提供一种采用上述伺服控制器的电液伺服系统。
本发明实施例中，闭环控制单元采用PIDF控制算法，利用PID调节器实现自动控制增益，并且通过单片机设定单元调整闭环控制单元的增益参数，调整简单灵活且精度高，实时性和可互换性强。
附图说明
图1是本发明实施例提供的电液伺服系统的结构原理图；
图2是本发明实施例提供的闭环反馈控制单元的结构原理图；
图3是本发明实施例提供的PID调节器的结构原理图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
本发明实施例中，伺服控制器通过速度、位移、力三环控制，采用比例-积分-微分-前馈(Proportion-Integral-Derivative-Feedforward，PIDF)控制算法，对液压伺服单元实现位移或力闭环控制。
图1示出了本发明实施例提供的电液伺服系统的结构原理，为了便于描述，仅示出了与本发明实施例相关的部分。
如图1所示，电源单元1、单片机设定单元2、闭环控制单元3、状态指示单元4、伺服阀驱动单元5、信号调理单元6组成了电液伺服系统的伺服控制器，伺服控制器接收工业控制计算机的指令信号和时序信号，闭环控制液压伺服单元运行。工业控制计算机通过单片机设定单元2对闭环控制单元3进行时序增益等参数设定，整个电液伺服系统的工作状态具有可视性，使参数调整更加方便。
其中，单片机设定单元2采用RS232\RS485等总线与工业控制计算机通信，方便系统的扩展，一个工业控制计算机可以同时控制多个单独的伺服控制器进行工作。工业控制计算机通过单片机设定模块2实现对闭环控制单元3的时序增益等参数设定，并将控制指令输入至控制闭环控制单元3，进而实现其控制目的。
电源单元1将交流市电降压整流滤波后产生多组电压，为单片机设定单元2、闭环控制单元3、伺服阀驱动单元5和信号调理单元6等供电。伺服阀驱动单元5接收闭环控制单元3的驱动信号并进行相应地转化处理后，驱动液压伺服单元进行工作。信号调理单元3采用差分放大滤波电路，当信号调理单元6接收到液压伺服单元位移超限或力超限的反馈信号时，将反馈信号放大处理后进一步反馈给闭环控制单元3，闭环反馈控制单元3根据工业控制计算机控制信号和反馈信号，采用PID算法，再通过伺服阀驱动单元5对液压伺服单元进行位移或力等动作控制，将系统位移等控制在合理范围之内。
图2示出了本发明实施例提供的闭环控制单元的结构原理，该闭环控制单元采用速度、位移、力三环控制。其中，速度控制环为基本环，用于根据外部伺服装置的速度反馈实时参与控制液压伺服单元的运行速度，为提高频率相应特性，采用比例+前馈控制算法，包括减法器S6、比例调节模块31、减法器S7，其中比例调节模块31用于对液压伺服单元的速度反馈值与所述位移控制环输出结果的差值进行比例调节，液压伺服单元的速度反馈值与所述位移控制环输出结果的差值由减法器S6计算输出，减法器S7对比例调节模块31的输出结果和伺服控制器接收的位移前馈控制信号值求差后输出至液压伺服单元。对于液压伺服单元有速度反馈的应用系统，如旋转运行伺服系统，速度反馈信号可以直接从液压伺服单元的速度传感器中得到，而对于没有速度反馈的应用系统，如直线运行伺服系统，速度反馈信号则需要将位移反馈还要经过微分模块32后得到。
位移控制环为二级环路，采用比例、积分、微分加前馈的控制算法，使用PID调节器完成比例、积分、微分运算，前馈控制端口开放至力控指令端口，可以适应不同的系统，同时也提高了前馈通道的抗干扰能力，包括减法器S5、位移限制模块33、减法器S1、PID调节器1，减法器S1对液压伺服单元的位移反馈值与位移控制信号值求差输出至PID调节器1，PID调节器1经过运算后输出至速度控制环中的减法器S6，位移限制模块33用于将接收的位移控制信号调整在一定范围内。
力控制环为三级环路，控制方式与位移控制环相同，包括力指令限制模块34、减法器S2、减法器S3、减法器S4、PID调节器2、PID调节器3、PID调节器4。减法器S2对液压伺服单元的力反馈值和力上限控制信号值求差，将求差结果输出至PID调节器2进行PID运算，PID调节器2由选通开关K4控制与位移控制环中的减法器S1接通；减法器S3对液压伺服单元的力反馈值和力下限控制信号值求差，将求差结果输出至PID调节器3进行PID运算，PID调节器3由选通开关K4控制与位移控制环中的减法器S1接通；减法器S4对液压伺服单元的力反馈值和力控制信号值求差，将求差结果输出至PID调节器4进行PID运算，PID调节器4将运算结果输出至位移控制环中的减法器S5；力指令限制模块34用于将接收的力控制信号调整在一定范围内。
闭环控制单元根据应用系统的不同，有两种应用模式：力控模式和位控模式，在两种模式下，各个控制环工作模式不同，具体见下表：
参照图1和图2，当系统工作在位控模式时，开关K1与力控指令端口断开，开关K2、K5闭合，开关K3断开，当闭环控制单元3通过信号调理单元6(图2中未示出)接收到液压伺服单元的力反馈超过力设定上限或下限的反馈信息时，力上限闭环回路或下限闭环回路开始工作，当力上限闭环电路调节输出值小于位控指令或力下限闭环电路调节输出值大于位控指令时，选通开关K4接通PID调节器2与减法器S1或接通PID调节器3与减法器S1，而位移控制信号与下级系统断开，此时系统工作在力控模式下，设定值为力上限值或下限值，当位控指令小于PID调节器2输出值或大于PID调节器3输出值时，即液压伺服单元反馈正常时，K4复位，接通位移限制模块33和减法器S1，系统恢复正常位控模式。
当系统工作在力控模式时，开关K1接通力控制信号端口，开关K2、K5断开，开关K3闭合，当PID调节器4输出值超出位移限制模块33的位移上下限时，系统控制开关K2接通，接通位移指令，开关K3断开，系统转为位控模式以保证系统位移不超出限制值，当PID调节器4输出值在位移上下限范围内时，即液压伺服单元反馈正常时，系统接通力控指令，回复力控模式。
图3示出了本发明实施例提供的PID调节器的结构原理，减法器S接收相应的控制信号和反馈信号，求差值后输出至PID调节器，PID调节器将差值分别经过比例-放大、积分-放大、微分-放大后再由加法器A求和输出，本发明实施例中，放大运算通过一乘法器实现增益调整，各增益值P、I、D通过工业控制计算机和单片机设定模块2设定，控制增益采用数字控制，使得增益参数有较好的重复性，可以使控制器的控制品质在反复确定控制参数时接近最优。
三环控制回路的优点是将系统的速度、位移、力同时监控，提高稳定性和频率相应特性，且当开关K5接通时，实现前馈控制，无误差运算，同时抗干扰性好，可适应性好，具体工作时，各个开关器件的状态由工业控制计算机和单片机设定单元2控制，力上下限值、位移上下限值均由工业控制计算机和单片机设定单元2设定，而状态指示单元4可以选用发光二极管(Light EmittingDiode，LED)指示当前开关的接通与关断，便于直观的了解闭环控制单元3的工作状态。
本发明实施例中，闭环控制单元通过速度、位移、力三环控制，采用PIDF控制算法，利用PID调节器中的乘法器实现自动控制增益，并且通过单片机设定单元调整闭环控制单元的增益参数，调整简单灵活且精度高，实时性和可互换性强，而且各路开关均采用模拟开关实现，开关速度为微秒级，可以使伺服控制器做到控制模式的平滑切换。本发明实施例提供的电液伺服系统中，工业控制计算机通过单片机设定单元对闭环控制单元进行时序增益等参数设定，整个电液伺服系统的工作状态具有可视性，使参数调整更加方便。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1、一种伺服控制器，其特征在于，所述伺服控制器包括：
闭环控制单元，用于根据接收到的控制信号和反馈信号采用PIDF控制算法产生驱动信号；
伺服阀驱动单元，用于根据所述闭环控制单元产生的驱动信号控制外部伺服装置动作；
单片机设定单元，用于对所述闭环控制单元进行参数设定；以及
电源单元，用于向所述闭环控制单元、所述伺服阀驱动单元或所述单片机设定单元供电。
2、如权利要求1所述的伺服控制器，其特征在于，所述伺服控制器进一步包括：
信号调理单元，用于将外部伺服装置的反馈信号处理后反馈至所述闭环控制单元。
3、如权利要求1所述的伺服控制器，其特征在于，所述伺服控制器进一步包括：
状态指示单元，用于指示所述闭环控制单元的工作状态。
4、如权利要求1所述的伺服控制器，其特征在于，所述闭环控制单元有力控和位控两种工作模式，所述闭环控制单元包括：
速度控制环，用于根据外部伺服装置的速度反馈实时参与控制外部伺服装置的运行速度，所述速度控制环为所述闭环控制单元的基本控制环；
位移控制环，用于在所述闭环控制单元处于力控模式时实时参与监控外部伺服装置的位移反馈，当位移超限时参与控制外部伺服装置的位移；在所述闭环控制单元处于位控模式时实时参与控制外部伺服装置的位移，当力超限时参与监控外部伺服装置的位移反馈；
力控制环，用于在所述闭环控制单元处于力控模式时实时参与控制监控外部伺服装置的力，当位移超限时参与监控外部伺服装置的力反馈；在所述闭环控制单元处于位控模式时实时参与监控外部伺服装置的力反馈，当力超限时参与控制监控外部伺服装置的力。
5、如权利要求4所述的伺服控制器，其特征在于，所述速度控制环包括：
比例调节模块，用于对外部伺服装置的速度反馈值与所述位移控制环输出结果的差值进行比例调节；以及
一减法器，用于对所述比例调节模块的输出结果和所述伺服控制器接收的位移前馈控制信号值求差后输出至外部伺服装置。
6、如权利要求4所述的伺服控制器，其特征在于，所述位移控制环包括：
第一PID调节器，用于对外部伺服装置的位移反馈值与所述伺服控制器接收的位移控制信号值之差进行PID运算，并将运算结果输出至所述速度控制环。
7、如权利要求6所述的伺服控制器，其特征在于，所述位移控制环进一步包括：
位移限制模块，用于对所述伺服控制器接收的位移控制信号进行调整。
8、如权利要求4所述的伺服控制器，其特征在于，所述力控制环包括：
第二PID调节器，用于对外部伺服装置的力反馈值和所述伺服控制器接收的力上限控制信号值之差进行PID运算，并将运算结果输出至所述位移控制环；
第三PID调节器，用于对外部伺服装置的力反馈值和所述伺服控制器接收的力下限控制信号值之差进行PID运算，并将运算结果输出至所述位移控制环；以及
第四PID调节器，用于对外部伺服装置的力反馈值和所述伺服控制器接收的力控制信号值之差进行PID运算，并将运算结果输出至所述位移控制环。
9、如权利要求8所述的伺服控制器，其特征在于，所述力控制环进一步包括：
力指令限制模块，用于对所述伺服控制器接收的力控制信号进行调整。
10、一种采用如权利要求1所述的伺服控制器的电液伺服系统。
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| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| C06 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| C10 | Entry into substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| C14 | Grant of patent or utility model | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| CF01 | Termination of patent right due to non-payment of annual fee |
Granted publication date: 20110330 |