CN102128303B - 电液线速度伺服系统中执行机构参数识别装置及识别方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种电液线速度伺服系统中执行机构参数识别装置及识别方法。所述识别装置由阶跃电流信号发生器、电液伺服阀、液压缸、机械负载、线速度检测传感器、记录仪器和液压源构成；所述识别方法是将阶跃电流信号输入电液伺服阀，检测机械负载运动线速度；记录阶跃电流信号和线速度信号随时间变化过程直至稳态值；将阶跃电流信号幅值除以线速度信号稳态值，得到执行机构的等效粘性阻尼系数；将等效粘性阻尼系数和线速度信号达到稳态值的0.632倍处对应的时间值相乘，得到执行机构的等效质量。本发明不仅能使电液线速度伺服系统的控制器参数的调整省时省力，而且可使电液伺服系统获得良好的静态和动态性能。

Description

电液线速度伺服系统中执行机构参数识别装置及识别方法

技术领域：

本发明涉及一种电液伺服系统设计方法，更具体地说，是涉及一种阀控液压缸线速度伺服系统中执行机构参数的定量识别装置及识别方法。

背景技术：

电液线速度伺服系统广泛用于工业、交通、科研等部门。为了获得优良的线速度伺服性能，电液线速度伺服系统必须采用闭环控制。电液线速度伺服系统包括电子控制器、执行机构、线速度检测传感器、以及液压源。其中执行机构由电液伺服阀、液压缸、以及它所带的机械负载组成。只有对执行机构进行定性识别，才能决定设计什么样的电子控制器，只有对执行机构的参数进行定量识别，才能对电子控制器的控制参数准确调整。

目前，电液线速度伺服系统公知的现有技术中的电子控制器，其控制参数并不是根据执行机构的参数进行调整，而是直接采用试凑法或经验法调整电子控制器的控制参数。这就造成电子控制器的控制参数调整比较盲目，电液线速度伺服系统的调试费时费力，线速度伺服性能难以满足工程要求。因此，电液线速度伺服系统设计和调试时，如何识别执行机构的参数，则是现有技术中有待解决的问题。

发明内容：

本发明的目的是针对上述现有技术中存在的问题，提供一种电液线速度伺服系统中执行机构参数识别装置及识别方法，使得电液线速度伺服系统设计和调试时，有的放矢调整电子控制器的参数。

电液线速度伺服系统包括电子控制器、执行机构、线速度检测传感器、以及液压源。其中执行机构由电液伺服阀、液压缸和它所带的机械负载组成。电液伺服阀是电液线速度伺服系统的关健器件，在电液伺服系统中置于电信号与液压信号的转接处，它将电子控制器输出的电流信号首先转换成阀芯的位移，进而再转换成液压系统中的负载流量，并放大为大功率的液压能推动液压缸的活塞作线性运动，从而带动机械负载作功。

执行机构由电液伺服阀、液压缸和它所带的机械负载组成。电液线速度伺服系统中，对电液伺服阀输入电流时，输出为液压缸活塞及所带机械负载的线速度。因此，输出为液压缸活塞及所带机械负载的线速度v(t)(m/s)相对于输入为电液伺服阀的电流i(t)(A)之间的传递函数表达式为

$\frac{V\left(s\right)}{I\left(s\right)}=\frac{1}{m_{d}s+B_d}---\left(1\right)$

式中m_d——称作等效质量；

    B_d——称作等效粘性阻尼系数。

式(1)就是电液线速度伺服系统中工程上实用的执行机构的数学模型，它是一个一阶系统。知道了执行机构数学模型采用传递函数表达的形式，仅仅完成了对它的定性认识。只有将式(1)中m_d和B_d这两个参数的大小识别出来，才能完成对执行机构数学模型的定量识别。那么，如何对其进行定量识别呢？为了解决这一问题，本发明实现目的所采取的技术方案是：

一种电液线速度伺服系统中执行机构参数识别装置，由阶跃电流信号发生器、电液伺服阀、液压缸、机械负载、线速度检测传感器、记录仪器以及液压源构成，其中阶跃电流信号发生器、电液伺服阀、液压缸、机械负载、线速度检测传感器以及记录仪器依顺序连接；所述的阶跃电流信号发生器还与记录仪器直接相连；所述的液压源分别与电液伺服阀和液压缸相连接。

所述的电液伺服阀、液压缸和机械负载组成了所要进行参数识别的执行机构。

所述的阶跃电流信号发生器产生阶跃电流信号提供给执行机构中的电液伺服阀，电液伺服阀将电流信号转换成阀芯的位移，进而再转换成液压系统中的负载流量，并放大为大功率的液压能推动液压缸的活塞及所带机械负载作线性运动，线速度检测传感器将活塞及所带机械负载的线速度信号检测出来并送到记录仪器进行记录；与此同时，阶跃电流信号发生器输出的阶跃电流信号也送到记录仪器将其记录下来。

为了实现上述目的，本发明所采取的另一个技术方案是：一种电液线速度伺服系统中执行机构参数识别方法。

将幅值为I_M的阶跃电流信号i(t)输入到执行机构中的电液伺服阀，求出执行机构的输出响应，也就是求出液压缸活塞及所带机械负载运动的线速度v(t)。根据传递函数式(1)写出相应的微分方程

$m_d=\frac{\mathrm{dv}\left(t\right)}{\mathrm{dt}}+B_d=I_M---\left(2\right)$

求出该微分方程的时域解为

$v\left(t\right)=\frac{I_M}{B_d}(1-e^{-\frac{B_d}{m_d}t})---\left(3\right)$

根据式(3)这一时域解，可以发现具有十分重要意义的两个推论：

1.当t→∞时，v(t)的稳态值为工程实践中，只要

就能基本达到稳态值，用不着等到无穷大。

2.当 $t=\frac{m_d}{B_d}$ 时， $v\left(t\right)=0.632\frac{I_M}{B_M}.$

根据上述理论分析并经实践检验，本发明的一种电液线速度伺服系统中执行机构参数识别方法，包括以下步骤：

(1)将幅值为某一定值(幅值大小根据电液伺服阀的规格而定)的阶跃电流信号输入到电液伺服阀，通过液压源驱动液压缸的活塞以及所带机械负载进行线性运动，由线速度检测传感器检测其运动的线速度信号；

(2)用记录仪器将所述的阶跃电流信号和线速度信号随时间变化过程记录下来，直至线速度信号达到稳态值并测出其大小；

(3)将所述的阶跃电流信号的幅值除以线速度信号的稳态值，得到执行机构的等效粘性阻尼系数；

(4)对所述线速度信号达到稳态值的0.632倍处在时间轴上读取对应的时间值；

(5)将所述等效粘性阻尼系数和所述时间值相乘，得到执行机构的等效质量。

本发明的电液线速度伺服系统中执行机构参数识别装置及识别方法的优点和有益效果主要是：获得执行机构的等效粘性阻尼系数和等效质量之后，电液线速度伺服系统中电子控制器的控制参数大小就可以根据执行机构的这两个参数进行设计和调整，从而克服了电子控制器的控制参数调整的盲目性，不仅使电液线速度伺服系统的调整节省精力和时间，而且还可获得良好的静态性能和动态性能。

附图说明

图1是本发明实施例的电液线速度伺服执行机构参数识别装置构成框图；

图2是本发明实施例的执行机构参数识别时对于阶跃信号输入的线速度信号图。

具体实施方式：

为了加深对本发明的理解，下面结合附图对本发明的具体实施例作进一步的详细叙述，该实施例仅用于解释本发明，并不构成对本发明保护范围的限定。

如图1所示，是本发明实施例的电液线速度伺服系统中执行机构参数识别装置构成框图。本发明实施例的电液线速度伺服系统中执行机构参数识别装置，由一个阶跃电流信号发生器110、一个电液伺服阀121、一个液压缸122、所带的机械负载123、一个线速度检测传感器130、一台记录仪器140、以及液压源150构成，其中所述阶跃电流信号发生器110、电液伺服阀121、液压缸122、机械负载123、线速度检测传感器130、以及记录仪器140按顺序连接，与此同时，所述的阶跃电流信号发生器110还与记录仪器140直接连接；所述的液压源150分别连接到电液伺服阀121和液压缸122。其中电液伺服阀121、液压缸122以及机械负载123组成执行机构120。

所述的阶跃电流信号发生器110给出电流幅值为I_M的阶跃信号，将其送到电液伺服阀121，电液伺服阀121将电流信号转换成阀芯的位移，进而通过液压源150经放大后的大功率液压能驱动液压缸122的活塞及所带机械负载123进行直线运动，由线速度检测传感器130测量液压缸活塞及所带机械负载线速度的大小，阶跃电流信号发生器110和线速度检测传感器130的信号都送到记录仪器140，记录仪器140记录下来的液压缸活塞及所带机械负载对于阶跃信号输入的线速度信号如图2所示。

所述电液线速度伺服系统中执行机构参数识别方法包括以下步骤：

(1)将幅值为I_M(幅值大小根据电液伺服阀的规格而定)的阶跃电流信号i(t)输入到电液伺服阀，通过液压源驱动液压缸活塞以及所带机械负载运动，由线速度检测传感器检测液压缸活塞及所带机械负载的线速度信号v(t)；

(2)用记录仪器将所述的阶跃电流信号i(t)和线速度信号v(t)随时间变化过程记录下来，直至线速度信号达到稳态值V_M并测量其大小；

(3)将所述的阶跃电流信号幅值I_M除以线速度信号的稳态值V_M，得到执行机构的等效粘性阻尼系数B_d；

(4)对线速度信号达到稳态值V_M的0.632倍处所在的R点在时间轴上找出对应的P点并读取其时间值T；

(5)将所述等效粘性阻尼系数B_d和所述时间值T相乘，得到执行机构的等效质量参数m_d。

由执行机构数学模型的定性认识可知，执行机构的数学模型是一阶系统。根据数学模型的结构形式，可以确定电液线速度伺服系统中电子控制器的组成形式。

获得上述执行机构的等效粘性阻尼系数B_d和等效质量m_d之后，执行机构的参数就被定量识别出来，根据执行机构的等效粘性阻尼系数B_d和等效质量m_d这两个参数的大小，就可对电液线速度伺服系统中电子控制器的控制参数进行设计和调整。

实践证明，本发明所述方法在电液线速度伺服系统设计和调试中不仅可以节省精力和时间，而且可获得良好的静态性能和动态性能。

Claims (2)

1.一种电液线速度伺服系统中执行机构参数识别装置，其特征是：由阶跃电流信号发生器、电液伺服阀、液压缸、机械负载、线速度检测传感器、记录仪器和液压源构成，其中所述阶跃电流信号发生器、电液伺服阀、液压缸、机械负载、线速度检测传感器以及记录仪器依顺序相连接；所述阶跃电流信号发生器还与记录仪器直接相连；所述液压源分别与电液伺服阀和液压缸相连接。

2.一种如权利要求1所述的电液线速度伺服系统中执行机构参数识别装置的识别方法，其特征是：具体步骤如下：

(1)将幅值为某一定值的阶跃电流信号输入到电液伺服阀，通过液压源驱动液压缸的活塞以及所带机械负载进行线性运动，由线速度检测传感器检测其运动的线速度信号；

(2)采用记录仪器将所述的阶跃电流信号幅值和线速度信号随时间变化过程记录下来，直至线速度信号达到稳态值并测量其大小；

(3)将所述的阶跃电流信号的幅值除以线速度信号的稳态值，得到执行机构的等效粘性阻尼系数；

(4)对线速度信号达到稳态值的0.632倍处在时间轴上读取对应的时间值；

(5)将所述等效粘性阻尼系数和所述时间值相乘，得到执行机构的等效质量。

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