CN101482133B - 三级电液伺服阀控制器 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种三级电液伺服阀控制器。它包括信号的输入和前馈控制器，用以输出阀控器的指令信号；位置闭环单元，伺服阀阀芯位移信号作为伺服阀的位置闭环控制的反馈信号，与指令信号做差；速度反馈控制器和比例控制器，用以通过调节速度反馈增益和比例控制器增益提高伺服阀的频宽；伺服阀驱动单元，用以产生伺服阀驱动信号，驱动伺服阀动作；阀芯位移输出单元，伺服阀阀芯位移信号经过调理后形成标准的±10V信号后，一方面作为伺服阀的位置闭环控制，另一方面经过电压-电流转换后输出给计算机，用于实时监测。本发明采用速度反馈控制器和前馈控制器，拓展了三级电液伺服阀的动态响应频宽。

Description

三级电液伺服阀控制器

(一)技术领域

本发明涉及三级电液伺服阀的控制技术，具体涉及一种三级电液伺服阀控制器。

(二)技术背景

在冗余驱动液压振动试验系统、多点多通道协调加载试验系统和道路模拟试验系统等大型力学环境试验装备中，对伺服激振系统的动态一致性有较高的要求，特别是在100Hz左右频率范围内的幅值和相位一致性对试验装备的特性有非常关键的作用。电液伺服阀作为伺服激振器驱动元件，其动态特性对伺服激振系统的动态特性有着非常重要的影响，而三级伺服阀控制器是调整伺服阀动态特性，使各个伺服激振系统动态特性趋于一致的关键技术环节。

传统的三级电液伺服阀在出厂时动态特性已经基本确定，而且在70Hz后一致性通常有比较大的差别，从而降低了某些试验装备在高频段的均匀度、横向比和波形失真度等技术指标。因此，研究三级电液伺服阀的控制技术，提高伺服激振系统的动态一致性是实现高精度力学环境模拟的重要技术手段。

(三)发明内容

本发明的目的在于提供一种通过调整控制参数完成对三级伺服阀幅频特性和相频特性的调整，提高三级电液伺服阀频宽，并解决多个伺服阀高频动态特性一致性问题的三级电液伺服阀控制器。

本发明的目的是这样实现的：它包括以下几部分：

信号的输入和前馈控制器，用以将计算机输出的±10mA电流形式指令信号转换为±10V电压信号，再经前馈控制器调整后，输出阀控器的指令信号；

位置闭环单元，伺服阀阀芯位移信号经过调理后形成标准的±10V信号后，作为伺服阀的位置闭环控制的反馈信号，与指令信号做差；

速度反馈控制器和比例控制器，用以通过调节速度反馈增益和比例控制器增益提高伺服阀的频宽；

伺服阀驱动单元，用以产生伺服阀驱动信号，经伺服驱动器转换为±40mA的功率驱动信号，驱动伺服阀动作；

阀芯位移输出单元，伺服阀阀芯位移信号经过调理后形成标准的±10V信号后，一方面作为伺服阀的位置闭环控制，另一方面经过电压-电流转换后输出给计算机，用于实时监测。

本发明还有这有一些技术特征：

1、所述的信号输入至前馈控制器中，前馈为一阶前馈控制环节，通过调整前馈控制器拐点频率进一步提高伺服阀的频宽；

2、所述的伺服阀驱动单元中在伺服驱动信号中加入了高频抖振信号，其频率和幅值可调；

3、所述的前馈控制器用于提高系统的频宽，在阀控器电路中，前馈控制器为一阶系统，其传递函数为： $\frac{\frac{\mathrm{KS}}{2\×3.14\×318}+1}{\frac{S}{2\×3.14\×318}+1},$

控制计算机输出的±10mA指令信号经过一个射极跟随器和2倍放大后，得到电压范围为±10V的位置给定信号(-Dref)；

位置给定信号经过一阶状态滤波器后，得到一阶惯性环节输出(-Dr)： $\frac{1}{\frac{S}{2\×3.14\×318}+1}$ 和一个微分环节(-Vr)： $\frac{\frac{\mathrm{KS}}{2\×3.14\×318}}{\frac{S}{2\×3.14\×318}+1},$ 两个环节之和即为传递函数的表达式，

其中，K为比例增益，S为拉普拉斯算子，K改变前馈控制器的转折频率，通过调节U3B运算放大器旁的电位器R29实现增益调节，即调节K值，前馈控制器还具有位置给定输出端(-Dref)，用于位置内环控制参数调试过程中使用；

4、所述的前馈控制器包括状态滤波器和转折频率调整部分，其中状态滤波器的输出包括微分环节输出和惯性环节输出，微分环节输出经过转折频率调整部分乘以比例增益K后，与惯性环节之和构成前馈控制器。

5、所述的速度反馈控制器包括归一化处理部分、V/I转换部分、速度反馈增益调节部分和位置微分部分，归一化处理部分将伺服阀的阀芯位移信号进行去偏和比例调节转换成标准的±10V信号，然后位置微分部分将伺服阀的阀芯位移信号微分得到速度信号，再经过速度反馈增益调节部分对速度反馈比例增益进行调节，从而实现伺服阀频宽的调整。此外，伺服阀阀芯位移信号经归一化的处理后，经过V/I转换部分输出±10mA的电流信号，实现阀芯位移信号的输出和远传，伺服阀的阀芯位移反馈信号为MOOG的N123-134 LVDT信号调理器输出的名义值为±10V信号。为了使控制信号归一化，首先将LVDT信号调理器输出进行调零和放大处理，得到标准的±10V位置反馈信号(+Df)；

6、所述的位置反馈信号经过微分环节后，得到速度反馈信号(-KVf)，调节R17电位器的阻值改变速度反馈的增益；位置反馈信号经V/I转换电路，将位置信号转换为±10mA信号，远传至伺服控制计算机，用于对伺服阀的工作状态进行监视，微分环节传递函数为：

$\frac{0.007s}{\frac{s^2}{{(2\mathrm{\π}\×2766)}^2}+\frac{2s}{2\mathrm{\π}\×2766}+1}\×\frac{1}{\frac{s^2}{{(2\mathrm{\π}\×1073)}^2}+\frac{2\×0.67s}{2\mathrm{\π}\×1073}+1}$ 其中S为拉普拉斯算子。

本发明设计了一种具有速度反馈控制器和前馈控制器的三级电液伺服阀控制器，根据系统频率特性的需求，通过调整控制参数设置完成对三级电液伺服阀幅频特性和相频特性的调整，解决多个伺服阀高频动态特性一致性问题。同时，本发明采用速度反馈控制器和前馈控制器，拓展了三级电液伺服阀的动态响应频宽。本发明结构设计合理，体积小，参数调节方便，能显著提高三级电液伺服阀的动态响应频宽。

(四)附图说明

图1为本发明的组成原理图；

图2为具体实施方式的前馈控制器电路原理图；

图3为前馈控制器中一阶微分环节(公式2)波特图；

图4为前馈控制器中一阶微分环节电路测试波特图；

图5为前馈控制器中惯性环节(公式2)波特图；

图6为惯性环节电路测试波特图；

图7为速度反馈控制器原理图；

图8为速度反馈控制器仿真结果图；

图9为速度反馈控制器电路测试结果图；

图10为比例控制器原理图；

图11为功率放大器原理图。

(五)具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步的说明：

1、伺服阀控制器组成

伺服阀控制器原理如图1所示，伺服阀的位置给定信号经前馈控制器得到一阶前馈环节，作为伺服阀阀芯位置控制的指令信号；该指令信号与经过调制解调器调理后的位置反馈信号作差得到偏差信号；通过比例控制器对误差进行放大后再与速度反馈控制器输出信号作差，得到伺服阀的驱动信号；此驱动信号经伺服放大器变换为伺服阀的电流驱动信号，驱动伺服阀的阀芯动作，完成伺服阀的位置闭环控制。其主要由以下几个部分组成：

信号的输入和前馈控制器，将计算机输出的±10mA电流形式指令信号转换为±10V电压信号，再经前馈控制器调整后，输出阀控器的指令信号。其中，前馈为一阶前馈控制环节，通过调整前馈控制器拐点频率进一步提高伺服阀的频宽；

位置闭环单元，伺服阀阀芯位移信号经过调理后形成标准的±10V信号后，作为伺服阀的位置闭环控制的反馈信号，与指令信号做差；

速度反馈控制器和比例控制器，速度反馈控制器是阀控器的重要组成部分，通过调节速度反馈增益和比例控制器增益可以大大提高伺服阀的频宽；

伺服阀驱动单元，经上述控制器调整后，产生伺服阀驱动信号，经伺服驱动器转换为±40mA的功率驱动信号，驱动伺服阀动作。此外，为了消除摩擦力等非线性因素的影响，在伺服驱动信号中加入了高频抖振信号，其频率和幅值可调；

阀芯位移输出单元，伺服阀阀芯位移信号经过调理后形成标准的±10V信号后，一方面作为伺服阀的位置闭环控制，另一方面经过电压-电流转换后输出给计算机，用于实时监测。

2、控制器的实现

(1)前馈控制器

前馈控制器用于提高系统的频宽。在阀控器电路中，前馈控制器为一阶系统，其传递函数为：

$\frac{\frac{\mathrm{KS}}{2\×3.14\×318}+1}{\frac{S}{2\×3.14\×318}+1}---\left(1\right)$

前馈控制器原理如图2所示。控制计算机输出的±10mA指令信号经过一个射极跟随器和2倍放大后，得到电压范围为±10V的位置给定信号(-Dref)。

位置给定信号经过一阶状态滤波器后，得到一阶惯性环节输出(-Dr)：

$\frac{1}{\frac{S}{2\×3.14\×318}+1}---\left(2\right)$

和一个微分环节(-Vr)：

$\frac{\frac{\mathrm{KS}}{2\×3.14\×318}}{\frac{S}{2\×3.14\×318}+1}---\left(3\right)$

两个环节之和即为公式1的表达式。

其中，公式3中的K改变前馈控制器的转折频率，通过调节U3B运算放大器旁的电位器R29实现增益调节，即调节K值。此外，前馈控制器还具有位置给定输出端(-Dref)，用于位置内环控制参数调试过程中使用。

根据公式2和公式3以及相应的应用电路，其信号传递特性如图3～图6所示。

(2)速度反馈控制器

速度反馈控制器用于提高系统的阻尼。速度反馈控制器原理如图7所示。伺服阀的阀芯位移反馈信号为MOOG的N123-134LVDT信号调理器输出的名义值为±10V信号。为了使控制信号归一化，首先将LVDT信号调理器输出进行调零和放大处理，得到标准的±10V位置反馈信号(+Df)；

位置反馈信号经过微分环节后，得到速度反馈信号(-KVf)，调节R17电位器的阻值改变速度反馈的增益；

另外，位置反馈信号经V/I转换电路，将位置信号转换为±10mA信号，远传至伺服控制计算机，用于对伺服阀的工作状态进行监视。

位置微分环节是速度反馈控制器的关键部分，的微分环节传递函数为：

$\frac{0.007s}{\frac{s^2}{{(2\mathrm{\π}\×2766)}^2}+\frac{2s}{2\mathrm{\π}\×2766}+1}\×\frac{1}{\frac{s^2}{{(2\mathrm{\π}\×1073)}^2}+\frac{2\×0.67s}{2\mathrm{\π}\×1073}+1}---\left(4\right)$

根据速度反馈控制器的传递函数，其仿真结果为图8所示。

根据公式4所对应的图7中位置微分部分应用电路，其信号实测传递特性如图9所示。

(3)比例控制器

比例控制器用于提高系统频宽，原理如图10所示。

给定信号与反馈信号经过位置比较器后得到位置偏差信号；

由比例控制器调整系统的电气增益，在系统稳定的前提下，达到提高系统频宽。比例增益的调整通过调节R45电位器阻值，达到增益调整的目的。

3、功率放大器

功率放大器为伺服阀的功率驱动级。通用高响应二级阀的单个线圈的电气特性为：40mA，80Ω。因此，考虑两个线圈并联工作时，功率放大器的负载特性为：40mA，40Ω。按照此特性，功率放大器的原理如图11所示。

功率放大器的输入为比例控制器和抖振信号发生器的输出；

电流负反馈恒流源输出；

±10V电压输入，额定输出电流为±40mA；

通过限流电阻，最大输出电流为±50mA；采用OPA547功率型运算放大器。

Claims (1)

1.一种三级电液伺服阀控制器，其特征在于它包括以下几部分：

1)信号的输入和前馈控制器，用以将计算机输出的±10mA电流形式指令信号转换为±10V电压信号，再经前馈控制器调整后，输出三级电液伺服阀控制器的指令信号，所述的信号的输入和前馈控制器中，前馈为一阶前馈控制环节，通过调整前馈控制器拐点频率进一步提高伺服阀的频宽，所述的前馈控制器用于提高系统的频宽，在三级电液伺服阀控制器电路中，前馈控制器为一阶系统，其传递函数为：

控制计算机输出的±10mA指令信号经过一个射极跟随器和2倍放大后，得到电压范围为±10V的位置给定信号-Dref；位置给定信号经过一阶状态滤波器后，得到一阶惯性环节输出

和一个微分环节-Vr：

两个环节之和即为传递函数的表达式，

其中，K为比例增益，S为拉普拉斯算子，K改变前馈控制器的拐点频率，通过调节U3B运算放大器旁的电位器R29实现增益调节，即调节K值，前馈控制器还具有位置给定输出端，其用于位置内环控制参数调试过程中使用；

2)位置闭环单元，伺服阀阀芯位移信号经过调理后形成标准的±10V信号后，作为伺服阀的位置闭环控制的反馈信号，与三级电液伺服阀控制器的指令信号做差；

3)速度反馈控制器和比例控制器，用以通过调节速度反馈增益和比例控制器增益提高伺服阀的频宽，所述的速度反馈控制器包括归一化处理部分、V/I转换部分、速度反馈增益调节部分和位置微分部分，归一化处理部分将伺服阀的阀芯位移信号进行去偏和比例调节转换成标准的±10V信号，然后位置微分部分将伺服阀的阀芯位移信号微分得到速度信号，再经过速度反馈增益调节部分对速度反馈增益进行调节，从而实现伺服阀频宽的调整，伺服阀阀芯位移信号经归一化的处理后，经过V/I转换部分输出±10mA的电流信号，实现阀芯位移信号的输出和远传，伺服阀的阀芯位移反馈信号为MOOG的N123-134LVDT信号调理器输出的名义值为±10V信号，并将LVDT信号调理器输出进行调零和放大处理，得到标准的±10V位置反馈信号+Df；

4)伺服阀驱动单元，用以产生伺服阀驱动信号，经伺服驱动器转换为±40mA的功率驱动信号，驱动伺服阀动作，所述的伺服阀驱动单元中在伺服驱动信号中加入了高频抖振信号，其频率和幅值可调；

5)阀芯位移输出单元，伺服阀阀芯位移信号经过调理后形成标准的±10V信号后，一方面作为伺服阀的位置闭环控制，另一方面经过电压-电流转换后输出给计算机，用于实时监测。

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