CN1032554C - 高精度大惯性液压伺服控制系统及其控制方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种高精度大惯性液压伺服控制系统及其控制方法，该系统由液压泵、油缸、伺服阀等元件组成并由计算机进行控制。该控制系统特点之一为，通过检测油缸两腔的油压信号进行动压反馈来补偿控制伺服阀的信号大小，以增大系统阻尼，抑制由大惯性引起的振动，提高系统稳定性。另一特点为根据设定信号与反馈信号偏差的变化情况来自动补偿由环境条件变化而引起的零漂，以提高大惯性系统的精度。
Description
本发明涉及液压伺服控制系统及其控制方法。特别是高精度大惯性液压伺服控制系统和控制方法，它在国际专利分类表中的位置一般是F15B9/00。
在液压伺服控制技术领域中，特别是位置伺服控制系统中，由于大量采用新型控制元器件，以及控制理论的成熟，使得一般的位置伺服控制系统一般都有较高的精度和较好的稳定性。但是，大惯性液压伺服系统是个例外，因为，大惯性液压伺服控制系统与非大惯性液压伺服系统存着许多不同之处，最主要的区别是当控制对象在接近目标值时，需要适当减速，但当减速时，由于大惯性的作用将超过目标值，而闭环控制的作用又将它拉回到目标值，在拉回的过程中，同样存在大惯性的作用，它又将超过目标值，这样就产生了在目标值附近来回地调节。对于非大惯性系统来说，也存在这样调节的情况，但是只要改变系统的增益就可解决来回调节的问题。而大惯性系统，即使系统增益选择的很小，也很难避免，这是存在于大惯性液压伺服控制系统中的一大难题，即有关稳定性问题。同时，大惯性液压伺服系统随环境条件的变化存在着较大的零漂，影响了系统的控制的精度。目前较常用的解决方法是加入积分器来提高精度，但在大惯性系统中加入积分器将引起前面所述的稳定性问题。
图5给出了一个现有技术中一般采用的位置控制伺服系统的控制框图。图中位置参数由1′设定，由11检测出油缸的位移、然后经过12采入，经过比较器2′比较得到偏差E′。经过增益3′进行放大，通过4把数字信号变成模拟信号U′，由功放5把电压信号经功率放大后转换成电流信号1′输出，驱动电液伺服阀6工作，通过控制进入油缸9、10两腔的油液，控制油缸的位移。7是为伺服阀6提供压力较稳定的泵源。8为油箱。图5系统对于大惯性负载而言存在稳定性差及精度不高等问题。图6给出了现有技术中未进行后面所述的本发明中压力补偿和零漂补偿的大惯性液压伺服系统中油缸两腔压力变化曲线图。从图中可以看出压力脉动很大且始终存在。
本发明的目的在于克服现有技术中的缺陷，提供一种解决大惯性液压伺服控制系统的稳定性和精度问题的方法。
本发明的进一步的目的是提供一种高精度大惯性液压伺服控制系统。它利用液压油缸中有杆腔及无杆腔的压力以及压力波动情况来进行补偿控制伺服阀的信号大小，以增大系统阻尼，抑制由大惯性引起的振动，提高系统稳定性。同时它根据设定信号与反馈信号比较后所得的偏差的变化情况来自动补偿由环境条件变化引起的零漂，在保证稳定的前提下，提高大惯性系统的精度。
本发明还有一个目的是提供一种高精度大惯性液压伺服控制系统及其控制方法，其有关的压力补偿和零漂补偿由计算机及其控制软件(程序)来完成。
本发明解决了大惯性液压伺服控制系统中长期未能解决的系统稳定性和控制精度问题。实际应用中(如用于万吨水压机送料机械手)也获得非常好的控制效果，送入位置准确，系统稳定无超调。而且，由于采用计算机及其控制软件来完成压力补偿和零漂补偿，替代了以往采用的硬件补偿，即降低了成本，而且控制灵活方便，不会产生不同功能的硬件系数调节时常产生的互相干涉的问题。
本发明的目的是这样实现的：一种高精度大惯性液压伺服控制系统，这种高精度大惯性液压伺服控制系统包括：油箱、液压泵、至少一台伺服阀，至少一台用于移动大惯性负载的工作油缸和一个具有计算机的控制装置，其特征在于：所述的伺服阀可响应于电控制信号来改变输往工作油缸的液压油的流量和方向；所述的油缸上设置有位置传感器，以检测油缸的实际位置；所述工作油缸的有杆腔和无杆腔分别设置有压力传感器以检测油缸两腔的油压；所测得的位置信号经A/D(模似/数字)转换器反馈给比较器与设定值进行比较；所测得的油缸两腔油压信号分别经各自A/D转换器转换，并由计算机计算并判别由那一腔进行动压反馈补偿；动压补偿信号反馈至加法器，与来自比较器的已经经过计算机判别是否进行零漂补偿并放大后的信号叠加，经D/A(数字/模似)转换器转换成模似信号(电压)，然后经功率放大器放大得到电流信号以控制伺服阀的阀芯开度从而控制工作油缸稳定在目标设定的位置上。所述的计算机为80386。所述的计算机的主频为25MHz或33MHz。所述的伺服阀为喷嘴挡板式电液伺服阀。所述的液压泵为恒压变量高压柱塞泵。
一种用于高精度大惯性液压伺服控制系统中的控制方法，其特征在于包括如下步骤：a.读设定目标值，由A/D转换器采入位置传感器检测的油缸实际位置反馈值；b.将设定值与反馈值进行比较，将设定值减去反馈值得到偏差值E，存入本次偏差值，取出上次偏差值；c.将本次偏差值绝对值减去上次偏差值的绝对值，如果差值大于零，则进行零漂补偿，如果小于零，则不进行补偿；d.将步骤C来的信号通过增益进行放大；e.由压力传感器测出油缸无杆腔中的压力值，经A/D转换后采入，由压力传感器测出油缸有杆腔中的压力，由A/D转换后采入；f.步骤b中得出的偏差值E如果大于零，则由有杆腔进行动压补偿，如果E小于零则由无杆腔进行动压补偿；g.步骤f得出的修正信号与步骤d得到的信号叠加，并经D/A转换输入给功率放大器，得到放大后的电流信号输出给伺服阀。所述的零漂补偿和动压补偿由计算机中软件来完成。所述的动压补偿由计算机软件选择动压补偿经验公式进行。选择经验公式的原则是，在产生振动时压力值范围所对应的补偿值要大，而在其它范围补偿值要小。所述的C、D步骤与e、f步骤可以颠倒进行，或在计算机上同时进行。
本发明的目的、特性和优点将通过下面对本发明最佳实施例的叙述，并参阅附图将会得到更好地理解。其中：
图1是本发明高精度大惯性液压伺服系统的原理图；
图2是根据本发明的位置控制伺服系统的控制框图；
图3是使用本发明进行控制时所测的油缸两腔的压力变化曲线图；
图4是本发明的控制方法的程序流程图；
图5是现有技术一般采用的位置控制伺服系统的控制框图；
图6是现有技术中未使用本发明的有关补偿进行控制时所测得油缸两腔的压力变化曲线图。
图1所示为本发明所采用的液压伺服系统的原理图。其中大部分元件和功能与现有技术中的一样，这里不做过多的叙述。油泵一电机组工作时，将从油箱8中来的液压油加压通过过滤器和液控单向阀送至伺服阀6，电控系统(后面将详细描述)来的控制信号控制伺服阀的阀芯开度，进而控制工作油缸12有杆腔10和无杆腔9中的压力和流量，从而控制负载(未示出)的移动速度和位置。图中位置传感器11用来检测油缸活塞杆(或负载)的具体位置并提供反馈信号。压力传感器19和20分别用于检测有杆腔19和无杆腔20中压力并提供反馈信号，用于进行压力补偿。
图2所示为本发明的用于液压伺服系统控制原理框图。图中，1为外界设定所需调节的位置目标值，它由位置传感器11检测油缸所处的实际位置值，实际位置值通过22A/D把模拟量转换成数字量输入，实际值与设定值经过比较器2进行比较得到偏差值E，把本次偏差值E存起，以备下次用。取上次调节的偏差值。比较本次偏差值的绝对值与上次调节的偏差值的绝对值，若本次偏差值的绝对值大于上次偏差值的绝对值，则进行零漂补偿，补偿程度视具体系统而定。若小于零则不进行零漂补偿。本次偏差经增益3进行放大。由压力传感器20测出油缸12无杆腔9的压力值，经16A/D把模拟量转换成数字量输入。若本次偏差值E小于零经15进行压力补偿。若偏差E大于零，则由压力传感器19测出油缸有杆腔10中的压力值，经18A/D把模拟量转换成数字量输入，由17进行压力补偿，有关15，17的压力补偿方法及程度视具体系统，根据表1中所提供的公式进行补偿。选择公式的原则为：在产生振动时压力值范围所对应的补偿值要大，而在其他范围补偿值要小，表1中，Ps为伺服阀前的油源压力，对本控制系统其值为22MPa油压传感器输出对应电压值为4.4V，本表中Ps即为4.4V。P1为缸中实际压力值，即9、10腔中的压力值。如果需要用无杆腔9中压力来补偿，P1即为无杆腔9的压力，反之，即为有杆腔10中的压力。若无杆腔9中的压力在产生振动时其压力值变化范围为8.8MPa至15.4MPa，即P1/Ps为0.4-0.7。则可选取表中右面三项补偿比较合适，因后三项在此范围内补偿程度最大，而在此范围之外补偿较小，所以在振动时能有效抑制由大惯性而引起的振动。而PL/Ps小于0.4时以及P1/Ps大于0.7时其补偿值都较小，所以对系统在不产生振动的过程中补偿程度较小，对系统的特性影响也较小，而后三项中具体选取哪一项可经过实际调试得到最佳补偿公式，压力补偿值通过加法器14补偿到控制信号中，控制信号经4D/A把数字量转换成模拟量U，模拟量电压值U经功率放大器5进行功率放大转换成电流信号I，驱动伺服阀6进行工作，控制进入油缸12中9或10腔中的油液，最后控制油缸的位置。
图4给出了本发明的控制方法用于大惯性液压伺服系统时的程序流程图。图中的动压补偿和零漂补偿的顺序可以颠倒。在实际应用中，该流程图也是编写补偿软件的基础。本发明所采用的计算机为80386，如inter302i注频为25MHz或33MHz。当然从响应速度考虑，选用80486会更好。
图6为现有技术中某一个大惯性液压位置控制伺服系统在没有加入压力补偿值时油缸中实测的压力变化情况，曲线31为无杆腔油压，曲线32为有杆腔油压，由曲线可以看到当t＝2(s)时，到达目标值附近，而t＝2(s)时，执行机械在目标值附近来回振动。
图3为在其它条件都不变的情况下，加入压力补偿值以后油缸中实测的压力变化情况，曲线33为无杆腔油压，曲线34为有杆腔的油压，由曲线可以看到当t＝2(s)时，到达目标值附近，而t＝2(s)时，油缸的两腔油压波动很小，此时执行机构也就不振动。
表1动压补偿公式
| 0.1 | 1.05 | 1.11 | 1.07 | 1.17 | 1.12 | 1.21 | 1.416 | 1.11 | 1.11 | 1.113 | 1.116 | 1.117 |
| 0.2 | 1.11 | 1.25 | 1.16 | 1.39 | 1.21 | 1.345 | 1.616 | 1.244 | 1.246 | 1.256 | 1.275 | 1.279 |
| 0.3 | 1.19 | 1.42 | 1.263 | 1.71 | 1.32 | 1.487 | 1.816 | 1.412 | 1.416 | 1.44 | 1.494 | 1.511 |
| 0.4 | 1.29 | 1.67 | 1.407 | 2.15 | 1.453 | 1.65 | 2.08 | 1.628 | 1.631 | 1.68 | 1.80 | 1.85 |
| 0.5 | 1.41 | 2.0 | 1.59 | 2.83 | 1.61 | 1.85 | 2.31 | 1.912 | 1.907 | 1.993 | 2.23 | 2.39 |
| 0.6 | 1.58 | 2.5 | 1.842 | 3.95 | 1.824 | 2.106 | 2.65 | 2.297 | 2.259 | 2.384 | 2.72 | 3.123 |
| 0.7 | 1.82 | 3.3 | 2.217 | 6.085 | 2.127 | 2.474 | 3.14 | 2.826 | 2.682 | 2.797 | 2.95 | 3.527 |
| 0.8 | 2.23 | 5 | 2.924 | 11.18 | 2.63 | 3.078 | 3.93 | 3.524 | 3.1 | 3.04 | 2.59 | 2.923 |
| 0.9 | 3.16 | 10 | 4.64 | 31.62 | 3.75 | 4.414 | 5.67 | 4.256 | 3.3 | 2.918 | 2.038 | 2.124 |
| 0.95 | 4.47 | 20 | 7.37 | 89.44 | 5.325 | 6.284 | 8.09 | 4.48 | 3.28 | 2.738 | 1.794 | 1.823 |
Claims (10)
1.一种高精度大惯性液压伺服控制系统，包括：油箱、液压泵、至少一台伺服阀，至少一台用于移动大惯性负载的工作油缸和一个具有计算机的控制装置，其特征在于：所述的伺服阀可响应于电控制信号来改变输往工作油缸的液压油的流量和方向；所述的油缸上设置有位置传感器，以检测油缸的实际位置；所述工作油缸的有杆腔和无杆腔分别设置有压力传感器以检测油缸两腔的油压；所测得的位置信号经A/D(模似/数字)转换器反馈给比较器与设定值进行比较、所测得的油缸两腔油压信号分别经各自A/D转换器转换，并由计算机计算并判别由那一腔进行动压反馈补偿；动压补偿信号反馈至加法器，与来自比较器的已经经过计算机判别是否进行零漂补偿并放大后的信号叠加，经D/A(数字/模似)转换器转换成模似信号(电压)，然后经功率放大器放大得到电流信号以控制伺服阀的阀芯开度从而控制工作油缸稳定在目标设定的位置上。
2.如权利要求1所述的一种高精度大惯性液压伺服控制系统，其特征在于：所述的计算机为80386。
3.如权利要求2所述的一种高精度大惯性液压伺服控制系统，其特征在于：所述的计算机的主频为25MHz或33MHz。
4.如权利要求1所述的一种高精度大惯性液压伺服控制系统，其特征在于：所述的伺服阀为喷嘴挡板式电液伺服阀。
5.如权利要求1所述的一种高精度大惯性液压伺服控制系统，其特征在于：所述的液压泵为恒压变量高压柱塞泵。
6.一种用于高精度大惯性液压伺服控制系统中的控制方法，其特征在于包括如下步骤：
a.读设定目标值，由A/D转移器采入位置传感器检测的油缸实际位置反馈值；
b.将设定值与反馈值进行比较，将设定值减去反馈值得到偏差值E，存入本次偏差值，取出上次偏差值；
c.将本次偏差值绝对值减去上次偏差值的绝对值，如果差值大于零，则进行零漂补偿，如果小于零，则不进行补偿：
d.将步骤C来的信号通过增益进行放大：
e.由压力传感器测出油缸无杆腔中的压力值，经A/D转换后采入，由压力传感器测出油缸有杆腔中的压力，由A/D转换后采入；
f.步骤b中得出的偏差值E如果大于零，则由有杆腔进行动压补偿，如果E小于零则由无杆腔进行动压补偿；
g.步骤f得出的修正信号与步骤d得到的信号叠加，并经D/A转换输入给功率放大器，得到放大后的电流信号输出给伺服阀。
7.如权利要求6所述一种高精度大惯性液压伺服控制系统的控制方法，其特征在于：所述的零漂补偿和动压补偿由计算机中软件来完成。
8.如权利要求6或7所述一种高精度大惯性液压伺服控制系统的控制方法，其特征在于：所述的动压补偿由计算机软件选择动压补偿经验公式进行。
9.如权利要求8所述一种高精度大惯性液压伺服控制系统的控制方法，其特征在于：选择经验公式的原则是，在产生振动时压力值范围所对应的补偿值要大，而在其它范围补偿值要小。
10.如权利要求6所述的高精度大惯性液压伺服控制系统的控制方法，其特征在于：所述的C、D步骤与e、f步骤可以颠倒进行，或在计算机上同时进行。
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