CN102174967A - 电液角位移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角位移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、液压马达、机械负载、角位移检测传感器、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；记录阶跃电流信号幅值和角位移信号变化过程直至直线上升段；沿直线上升段作第一直线；将阶跃电流信号幅值除以第一直线斜率得到执行机构等效粘性阻尼系数；过坐标原点作与第一直线斜率相同的第二直线；读出同一时刻这两直线的纵坐标差值；将所述纵坐标差值乘以等效粘性阻尼系数的平方，再除以阶跃电流信号幅值得到等效惯量。本发明使电液角位移伺服系统控制参数调整有的放矢，并能获得良好的静动态性能。

Description

电液角位移伺服系统中执行机构参数识别装置及识别方法

一.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，是涉及一种电液角位移伺服系统中执行机构参数识别装置及识别方法。

二.背景技术：

电液角位移伺服系统广泛用于工业、交通、科研等部门。为了获得优良的角位移伺服性能，电液角位移伺服系统必须采用闭环控制。电液角位移伺服系统包括电子控制器、执行机构、角位移检测传感器、以及液压源。其中执行机构由电液伺服阀、液压马达、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，电液角位移伺服系统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，电液角位移伺服系统的调试费时费力，角位移伺服性能难以满足工程要求。因此，电液角位移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。

三.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，提供一种电液角位移伺服系统中执行机构参数识别装置及识别方法，使得电液角位移伺服系统设计和调试时，有的放矢调整电子控制器的参数。

电液角位移伺服系统包括电子控制器、执行机构、角位移检测传感器、以及液压源。其中执行机构由电液伺服阀、液压马达和它所带的机械负载组成。电液伺服阀是电液角位移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马达的轴作线性运动，从而带动机械负载作功。

执行机构由电液伺服阀、液压马达和它所带的机械负载组成。电液角位移伺服系统中，对电液伺服阀输入电流时，输出为液压马达轴及所带机械负载的角位移。因此，输出为液压马达轴及所带机械负载的角位移θ(t)(rad)相对于电液伺服阀的输入电流i(t)(A)之间的传递函数表达式为

$\frac{\mathrm{\Θ}\left(s\right)}{I\left(s\right)}=\frac{1}{J_d{s}^2+B_{d}s}---\left(1\right)$

式中J_d——称作等效惯量；

B_d——称作等效粘性阻尼系数。

式(1)就是电液角位移伺服系统中工程上实用的执行机构的数学模型，它是一个二阶系统。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J_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：

一种电液角位移伺服系统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、线位移检测传感器、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、角位移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马达的轴及所带机械负载作线性运动，角位移检测传感器将轴及所带机械负载的角位移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：一种电液角位移伺服系统中执行机构参数识别方法。

若将幅值为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，也就是求出液压马达轴及所带机械负载运动的角位移θ(t)。根据传递函数式(1)写出相应的微分方程

$J_d\frac{d{\mathrm{\θ}}^2\left(t\right)}{{\mathrm{dt}}^2}+B_d\frac{\mathrm{d\θ}\left(t\right)}{\mathrm{dt}}=I_M---\left(2\right)$

在零初始条件下，求出该微分方程的时域解为

$\mathrm{\θ}\left(t\right)=\frac{I_M}{B_d}[t-\frac{J_d}{B_d}(1-e^{-\frac{B_d}{J_d}t})]---\left(3\right)$

根据式(3)这一时域解，可发现下列具有重要意义的推论：

(1)当t→∞时，可写成

$\mathrm{\θ}\left(t\right)=\frac{I_M}{B_d}(t-\frac{J_d}{B_d})---\left(4\right)$

(2)由此可见，时域解在t→∞时是一条直线，其斜率为

该直线与具有相同斜率过原点的直线相比较，滞后

根据上述理论分析并经实践检验，本发明提供的电液角位移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马达以及所带机械负载运动，由角位移检测传感器检测其运动的角位移信号；

(2)用记录仪器将所述的阶跃电流信号和角位移信号随时间变化过程记录下来，直至角位移信号进入直线上升阶段；

(3)沿角位移信号的直线上升阶段作第一条直线；

(4)测量所述第一条直线的斜率；

(5)将所述阶跃电流信号幅值除以所述第一条直线的斜率，得到电液角位移伺服系统中执行机构的等效粘性阻尼系数；

(6)采用第一条直线相同的斜率，过坐标原点作第二条直线；

(7)在横坐标上的同一时间读出这两条直线的纵坐标之差值；

(8)将所述差值乘以等效粘性阻尼系数的平方，所得乘积再除以阶跃电流信号幅值，得到电液角位移伺服系统中执行机构等效惯量。

本发明的电液角位移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惯量之后，电液角位移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，不仅使电液角位移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。

四.附图说明

图1是本发明实施例的电液角位移伺服系统中执行机构参数识别装置方框图。

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角位移信号图。

五.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。

图1是本发明实施例的电液角位移伺服系统中执行机构参数识别装置方框图。它表示本发明实施例所涉及的识别装置，它包括一个阶跃电流信号发生器110、一个电液伺服阀121、一个液压马达122、所带的机械负载123、一个角位移检测传感器130、一台记录仪器140、以及液压源150，所述阶跃电流信号发生器110、电液伺服阀121、液压马达122、机械负载123、角位移检测传感器130、以及记录仪器140按顺序连接，与此同时，阶跃电流信号发生器110还直接连接到记录仪器140；液压源150分别连接到电液伺服阀121和液压马达122。其中电液伺服阀121、液压马达122以及机械负载123组成执行机构120。

所述跃电流信号发生器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马达122的轴及所带机械负载123进行直线运动，由角位移检测传感器130测量液压马达轴及所带机械负载角位移的大小，阶跃电流信号发生器110和角位移检测传感器130的信号都送到记录仪器140，记录仪器140记录下来的液压马达轴及所带机械负载角位移信号如图2所示。

所述电液角位移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马达以及所带机械负载运动，由角位移检测传感器检测其运动的角位移信号θ(t)；

(2)用记录仪器将输入的阶跃电流信号i(t)和输出的角位移信号θ(t)随时间变化过程记录下来，所述角位移信号包含起始段的曲线部分1和后续的直线上升部分2；

(3)沿所述角位移信号的直线上升部分2作第一条直线No.1。

(4)测量所述第一条直线的斜率K；

(5)将所述阶跃电流信号幅值I_M除以所述第一条直线的斜率K，得到电液角位移执行机构的等效粘性阻尼系数B_d；

(6)采用第一条直线相同的斜率K，过坐标原点作第二条直线No.2；

(7)在横坐标上的同一时间读出这两条直线的纵坐标之差值L；

(8)将所述差值L乘以等效粘性阻尼系数B_d的平方，所得乘积再除以阶跃电流信号幅值I_M，得到执行机构的等效惯量J_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二阶系统。根据数学模型的结构形式，可以确定电液角位移伺服系统中电子控制器的结构形式。

获得上述执行机构的等效粘性阻尼系数B_d和等效惯量J_d之后，执行机构数学模型中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和等效惯量J_d这两个参数的大小，就可对电液角位移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角位移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)

1.一种电液角位移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、液压马达、机械负载、角位移检测传感器、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、液压马达、机械负载、角位移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马达相连接。

2.一种如权利要求1所述的电液角位移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马达以及所带机械负载运动，由角位移检测传感器检测其运动的角位移信号；

(2)用记录仪器将所述的阶跃电流信号幅值和角位移信号随时间变化过程记录下来，直至角位移信号进入直线上升阶段；

(3)沿角位移信号的直线上升阶段作第一条直线；

(4)测量所述第一条直线的斜率；

(5)将所述阶跃电流信号幅值除以所述第一条直线的斜率，得到电液角位移伺服系统中执行机构的等效粘性阻尼系数；

(6)采用第一条直线相同的斜率，过坐标原点作第二条直线；

(7)在横坐标上的同一时间读出这两条直线的纵坐标之差值；

(8)将所述差值乘以等效粘性阻尼系数的平方，所得乘积再除以阶跃电流信号幅值，得到执行机构等效惯量。

Images