CN102331715B - 电液线速度伺服系统控制参数确定方法 - Google Patents

电液线速度伺服系统控制参数确定方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种电液线速度伺服系统控制参数确定方法，该控制参数确定方法所基于的电液线速度伺服系统由线速度指令信号发生器、伺服控制器、伺服对象、线速度检测传感器组成；控制参数确定方法是：首先根据零时刻处切线与稳态值相交处对应时间值将伺服对象的等效粘性阻尼系数和等效质量识别出来，然后将电液伺服阀输出最大流量对应的输入电压除以线速度指令信号的最大值，所得之商进行平方，乘二倍半再除以伺服对象的等效质量，得到伺服控制器的积分系数；再将伺服控制器的积分系数乘以等效质量再开平反根，乘以二倍，所得之积减去等效粘性阻尼系数得到伺服控制器的反馈系数。本发明控制参数的确定有的放矢，提高了伺服系统的静态和动态性能。

Description

电液线速度伺服系统控制参数确定方法
技术领域：
本发明涉及一种电液伺服系统，特别涉及一种阀控液压缸线速度伺服系统中伺服控制器的控制参数确定方法。
背景技术：
电液伺服系统中，电液线速度伺服在一些机械装备中是经常遇到的，如机械臂的伸缩，加工设备的进给运动，自动化生产线中工件的传送等。电液线速度伺服系统中，电液伺服的变量是机械负载运动的线速度。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反馈环控制。也就是说，机械装备中运动部件的线速度必须经检测传感器反馈到电液伺服系统输入端，与线速度指令信号进行比较产生误差信号，然后再由伺服控制器对误差信号进行控制运算后发出控制信号，对运动部件的线速度实施校正。
对于误差的控制运算目前广泛使用的是乘以常数，对其积分，微分或几种运算的组合，即比例控制(P)，比例加积分控制(PI)，比例加积分加微分控制(PID)。前向控制回路中对误差每增加一种运算，事实上对线速度指令信号和反馈信号同时增加了控制运算。对线速度指令信号的每一种运算就相当于在电液伺服系统的微分方程的右边增加一个强迫项，使控制系统出现多个强迫项。这样，电液伺服系统输出就不能精确复现线速度指令信号。因此，一般的PID反馈控制方法线速度动态跟踪精度差，对阶跃输入的指令信号其输出存在超调和振荡现象。
随着各种机械设备的运行精度、响应速度以及自动化程度的提高，对电液线速度伺服性能提出了越来越高的要求。当今广泛使用的传统的反馈控制方法已不能满足要求，采用新的电液伺服系统和伺服控制方法是进一步提高电液伺服性能所要解决的问题之一。
目前，电液线速度伺服系统公知的现有技术中的伺服控制器，其控制参数并不是根据伺服对象的参数进行确定，而是直接采用试凑法或经验法确定伺服控制器的控制参数。这就造成伺服控制器的控制参数确定比较盲目，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，如何根据伺服对象的特性参数确定合适的控制参数，则是现有技术中有待解决的问题之二。
发明内容：
本发明的目的是为了解决上述现有技术中存在的问题和缺陷，提供一种电液线速度伺服系统控制参数确定方法。
为了实现上述目的，本发明的一种电液线速度伺服系统控制参数确定方法所基于的电液线速度伺服系统由线速度指令信号发生器、伺服控制器、功率放大器、伺服对象、线速度检测传感器和液压源组成；所述伺服控制器由比较器、智能积分器、积分系数Ki乘法器、减法器和反馈系数Kf乘法器组成，所述比较器、智能积分器、积分系数Ki乘法器和减法器按顺序连接，比较器还分别与线速度指令信号发生器和线速度检测传感器连接，所述减法器通过反馈系数Kf乘法器与线速度检测传感器连接，减法器还与功率放大器连接；所述伺服对象包括电液伺服阀、液压缸和机械负载，所述电液伺服阀、液压缸和机械负载按顺序连接，电液伺服阀还与功率放大器连接，线速度检测传感器与机械负载连接，电液伺服阀和液压缸还分别与液压源连接。
上所述的伺服控制器在前向回路中对误差信号实施智能积分运算和乘法运算，在反馈回路中不仅实现了线速度反馈，而且在不需要线加速度检测传感器的情况下实现了线加速度的反馈。也就是说，不仅实现了伺服变量信号的反馈，而且实现了伺服变量信号的变化率的反馈。
上所述的电液伺服系统的性能不仅与伺服控制器的结构形式密切相关，而且还受到伺服控制器中积分系数Ki和反馈系数Kf这两个控制参数大小的影响。只有准确地确定这两个控制参数的大小，才能获得优良的伺服控制性能。要准确地确定这两个控制参数的大小，首先要对伺服对象的参数进行定量识别。“知己知彼，方能百战百胜”，只有在伺服对象参数定量识别的基础上，才能对伺服控制器的控制参数准确确定。
本发明的电液线速度伺服系统控制参数确定方法，包括以下步骤：
(1)构建电液线速度伺服系统中伺服对象的参数识别装置，该装置包括阶跃电压信号发生器、伺服对象、线速度检测传感器、记录仪器以及液压源，所述伺服对象包括电液伺服阀、液压缸和机械负载，所述阶跃电压信号发生器、电液伺服阀、液压缸、机械负载、线速度检测传感器和记录仪器按顺序连接；所述阶跃电压信号发生器还与记录仪器连接；所述液压源分别与电液伺服阀和液压缸连接；
(2)将幅值为某一定值(幅值大小根据电液伺服阀的规格而定)的阶跃电压信号输入到电液伺服阀，通过液压源驱动液压缸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；
(3)用记录仪器将所述的阶跃电压信号和液压缸活塞以及所带机械负载的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；
(4)将所述的阶跃电压信号的幅值除以液压缸活塞及所带机械负载线速度信号的稳态值，得到伺服对象的等效粘性阻尼系数；
(5)对液压缸活塞及所带机械负载线速度信号的稳态值向纵坐标方向作延长线直至与纵坐标相交；
(6)在液压缸活塞及所带机械负载的线速度信号这条曲线零时刻处作切线与其稳态值向纵坐标方向延长线相交于一点，在时间轴上读取该交点对应的时间值；
(7)将上述等效粘性阻尼系数和上述时间值相乘，得到伺服对象的等效质量；
(8)根据所选电液伺服阀的最大输出流量确定与其对应的最大输入电压；
(9)根据线速度的实际要求和线速度检测传感器的允许范围，设定线速度指令信号的最大值；
(10)将电液伺服阀最大输入电压除以线速度指令信号的最大值，所得之商进行平方，然后乘以二倍半再除以伺服对象的等效质量，得到伺服控制器的积分系数Ki；
(11)将伺服控制器的积分系数Ki乘以伺服对象的等效质量再开平反根，然后再乘以二倍，所得之积减去伺服对象的等效粘性阻尼系数，得到伺服控制器中的反馈系数Kf。
本发明的有益效果是：
(1)本发明所述电液伺服控制器在前向回路中对误差信号实施智能积分运算以及与积分系数Ki的乘法运算。在反馈回路中不仅实现了伺服变量线速度的反馈，而且通过反馈系数Kf乘法器实现了伺服变量线速度的变化率——线加速度的反馈。因此，本发明的电液伺服系统不仅具有伺服变量本身状态信息的反馈，而且具有伺服变量变化状态信息的反馈，实现了伺服变量两种状态信息的反馈。而一般伺服系统仅能实现伺服变量的一种状态信息反馈。
(2)该电液线速度伺服系统中采用线速度检测传感器实现线速度信号的反馈，但是，并没有采用任何线加速度检测传感器，却实现了线加速度信号的反馈。也就是说，只采用了一种检测传感器实现了伺服变量两种状态信息的反馈，在工程实施中不仅方便易行，而且节省成本。
(3)伺服控制器的控制参数调整是建立在对伺服对象参数定量识别的基础上，使电液线速度伺服系统的控制参数设计有的放矢，减少伺服系统调整的盲目性，提高工作效率。
(4)由于该伺服控制器与众不同的结构形式以及控制参数针对性的调整，提高了电液线速度伺服系统的静态和动态性能。静态精度可以达到无静差，动态时对于线速度指令信号的阶跃瞬时突变，其响应时间缩短且无超调和振荡，动态跟踪精度高；对于外界环境的干扰和机械负载本身参数的变化，电液线速度伺服系统的伺服性能变化不敏感。
附图说明
图1是本发明的电液线速度伺服系统构成方框图；
图2是本发明的电液线速度伺服对象参数识别装置构成方框图；
图3是本发明的伺服对象参数识别时对于阶跃信号输入时的线速度信号图；
图4是本发明的电液线速度伺服系统控制参数确定方法流程图。
具体实施方式：
为了加深对本发明的理解，下面结合附图1、2和3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。
附图1是本发明实施例的电液线速度伺服系统构成方框图。该电液线速度伺服系统由线速度指令信号发生器110、伺服控制器120、功率放大器130、伺服对象140、线速度检测传感器150和液压源160组成；所述伺服控制器由比较器121、智能积分器122、积分系数Ki乘法器123、减法器124和反馈系数Kf乘法器125组成，所述比较器121、智能积分器122、积分系数Ki乘法器123和减法器124按顺序连接，比较器121还分别与线速度指令信号发生器110和线速度检测传感器150连接，所述减法器124通过反馈系数Kf乘法器125与线速度检测传感器150连接，减法器124还与功率放大器130连接；伺服对象140包括电液伺服阀141、液压缸142和机械负载143，所述电液伺服阀141、液压缸142和机械负载143按顺序连接，电液伺服阀141还与功率放大器130连接，机械负载143还与线速度检测传感器150连接，机械负载的运动线速度检测后反馈到输入端的比较器121，此外，电液伺服阀141和液压缸142还分别与液压源160连接。
本发明当线速度指令信号发生器110给出线速度信号后，比较器121将其与线速度检测传感器150反馈回来的机械负载的实际线速度信号进行比较，产生的误差信号首先由积分器122进行智能积分运算，然后再由积分系数Ki乘法器123乘以积分系数Ki，这时产生的信号与线速度检测传感器150经反馈系数Kf乘法器125运算后的信号相减，在此实际上实现了线速度的变化率——线加速度的反馈。因此，本发明的电液线速度伺服系统比公知的反馈系统实现的伺服变量的更多状态信息反馈，伺服性能可大幅度提高。另一个巧妙之处在于，这里既没有采用线加速度传感器，也没有对线速度信号进行微分运算，但是在控制功能上却实现了线加速度信号的反馈，对于工程实施，方便易行，具有十分重要的意义。伺服控制器输出的控制信号经功率放大器130放大后输入到电液伺服阀141，经过电液转换变成液压系统的流量信号，控制液压缸142的流量大小和方向，对机械负载的运动线速度进行伺服。
电液伺服系统的性能不仅与伺服控制器的结构形式密切相关，而且还受到伺服控制器中积分系数Ki和反馈系数Kf这两个控制参数大小的影响。只有准确地确定这两个控制参数的大小，就能使电液伺服系统获得优良的动态性能和静态性能。要准确地确定这两个控制参数的大小，首先要对伺服对象的参数进行定量识别。“知己知彼，方能百战百胜”，只有在伺服对象参数定量识别的基础上，才能对伺服控制器的控制参数准确确定。
本发明的电液线速度伺服系统控制参数确定方法，包括以下步骤：
(1)构建如附图2所示的电液线速度伺服系统中伺服对象的参数识别装置，该装置包括阶跃电压信号发生器170、伺服对象140、线速度检测传感器150、记录仪器180以及液压源160，所述伺服对象140包括电液伺服阀141、液压缸142和机械负载143，所述阶跃电压信号发生器170、电液伺服阀141、液压缸142、机械负载143、线速度检测传感器150和记录仪器180按顺序连接；所述阶跃电压信号发生器170还与记录仪器180连接；所述液压源160分别与电液伺服阀141和液压缸142连接；
(2)通过阶跃电压信号发生器170将幅值为VM(幅值大小根据电液伺服阀的规格而定)的阶跃电压信号V(t)输入到电液伺服阀141，通过液压源驱动液压缸142以及所带机械负载143进行直线运动，由线速度检测传感器150检测液压缸142及所带机械负载143的线速度信号v(t)；
(3)用记录仪器180将所述的阶跃电压信号V(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vM并测量其大小，见附图3；
(4)将所述的阶跃电压信号幅值VM除以线速度信号的稳态值vM，得到伺服对象的等效粘性阻尼系数Bd；
(5)对液压缸活塞及所带机械负载的线速度信号的稳态值向纵坐标方向作延长线直至与纵坐标相交；
(6)在液压缸活塞及所带机械负载的线速度信号这条曲线零时刻处作切线与其稳态值向纵坐标方向延长线相交于S点，与该交点对应的时间轴上P点读取时间值T；
(7)将所述等效粘性阻尼系数Bd和所述时间值T相乘，得到伺服对象的等效质量md。
(8)根据所选电液伺服阀的最大输出流量确定与其对应的最大输入电压Mmax；
(9)根据线速度的实际要求和线速度检测传感器的允许范围，设定线速度指令信号的最大值Rml；
(10)将电液伺服阀最大输入电压Mmax除以线速度指令信号的最大值Rml，所得之商进行平方，然后乘以二倍半再除以伺服对象的等效质量md，得到伺服控制器中的积分系数Ki；
(11)将伺服控制器的积分系数Ki乘以伺服对象的等效质量md再开平反根，然后乘以二倍，所得之积减去伺服对象的等效粘性阻尼系数Bd，得到伺服控制器中的反馈系数Kf。
本发明的电液线速度伺服系统控制参数确定方法见附图4，由上述步骤可见，电液线速度伺服系统设计时，首先将伺服对象的等效粘性阻尼系数Bd和等效质量md识别出来，然后就可根据其它所选的已知条件，确定伺服控制器中的控制参数即积分系数Ki和反馈系数Kf的大小，具体实施时再略作确定。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，而且可使伺服系统获得良好的静态性能和动态性能。对于线速度指令信号的阶跃瞬时突变，动态响应时间减少且无超调和振荡；增强了抵抗外界干扰和机械负载本身变化的能力。

Claims (1)

1.一种电液线速度伺服系统控制参数确定方法，其特征在于包括如下步骤：
(1)构建电液线速度伺服系统中伺服对象的参数识别装置，该装置包括阶跃电压信号发生器、伺服对象、线速度检测传感器、记录仪器以及液压源，所述伺服对象包括电液伺服阀、液压缸和机械负载，所述阶跃电压信号发生器、电液伺服阀、液压缸、机械负载、线速度检测传感器和记录仪器按顺序连接；所述阶跃电压信号发生器还与记录仪器连接；所述液压源分别与电液伺服阀和液压缸连接；
(2)将幅值为某一定值的阶跃电压信号输入到电液伺服阀，通过液压源驱动液压缸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；
(3)用记录仪器将所述的阶跃电压信号和液压缸活塞以及所带机械负载的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；
(4)将所述的阶跃电压信号的幅值除以液压缸活塞及所带机械负载线速度信号的稳态值，得到伺服对象的等效粘性阻尼系数；
(5)对液压缸活塞及所带机械负载线速度信号的稳态值向纵坐标方向作延长线直至与纵坐标相交；
(6)在液压缸活塞及所带机械负载的线速度信号这条曲线零时刻处作切线与其稳态值向纵坐标方向延长线相交于一点，在时间轴上读取该交点对应的时间值；
(7)将上述等效粘性阻尼系数和上述时间值相乘，得到伺服对象的等效质量；
(8)根据所选电液伺服阀的最大输出流量确定与其对应的最大输入电压；
(9)根据线速度的实际要求和线速度检测传感器的允许范围，设定线速度指令信号的最大值；
(10)将电液伺服阀最大输入电压除以线速度指令信号的最大值，所得之商进行平方，然后乘以二倍半再除以伺服对象的等效质量，得到伺服控制器的积分系数Ki；
(11)将伺服控制器的积分系数Ki乘以伺服对象的等效质量再开平方根，然后再乘以二倍，所得之积减去伺服对象的等效粘性阻尼系数，得到伺服控制器中的反馈系数Kf。 
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