CN103631281B - 一种液压马达角速度伺服系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种液压马达角速度伺服系统，该系统由角速度指令信号发生器、伺服控制器、伺服放大器、伺服对象、角速度测量传感器和液压源组成；其中所述伺服控制器由比较器、第一积分器、积分系数K_i1乘法器、第一减法器、第二积分器、积分系数K_i2乘法器、第二减法器、反馈系数K_d1乘法器和反馈系数K_d2乘法器组成，所述伺服对象由电液伺服阀、液压马达和机械负载组成。本发明控制参数的调整有计算公式可循，避免了参数调整的盲目性，节省时间，提高了系统的稳定性并避免了超调现象的出现。电液角速度伺服系统的静态和动态性能得到全面改善，静态达到无静差，动态响应时间短且无超调和振荡，动态跟踪精度高。

Description

一种液压马达角速度伺服系统

技术领域：

本发明涉及一种液压马达角速度伺服系统，特别涉及一种由伺服控制器控制的阀控液压马达角速度伺服系统。

背景技术：

目前，液压马达角速度的精确控制必须采用闭环反馈控制方式才能获得较好的控制精度，控制器通过对输入、输出之间的误差信号进行算法运算产生角速度控制信号，从而为液压马达角速度控制提供精确调节。检测被控对象角速度的传感器往往直接与被控对象连接。

对于误差的控制运算目前广泛使用的是比例控制(P控制)，比例加积分控制(PI控制)，比例加积分加微分控制(PID控制)。在上述常规控制方法中P控制是有差控制，往往满足不了高精度控制场合；PI和PID控制能满足稳态控制精度，但是如果为了满足快速性要求，往往对阶跃输入的指令信号，其输出存在超调和振荡现象，即如果要求系统响应快，则出现超调和振荡，要无超调和振荡，系统响应则变慢。这看似一对矛盾。究其原因，前向通道中对误差每增加一种运算，事实上对输入信号和反馈信号同时增加了控制运算。对角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了一个强迫项，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角速度指令信号，但是为了使系统成为无差系统，在这些强迫项中积分运算却是必不可少的。另外PI和PID控制运算中往往忽略电液伺服系统中一个重要环节，即伺服放大器的最大输出能力问题，也就是说伺服放大器往往得不到充分利用。因此要使得马达角速度响应既快又稳，必须在控制参数中考虑伺服放大器的最大输出能力，同时计算控制参数时要保证闭环系统的等效阻尼比为1，这样设计出的马达角速度伺服系统才能快而无超调、无振荡。

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，对液压马达角速度伺服系统性能提出了越来越高的要求。当今广泛使用的一般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液压马达角速度伺服系统性能所要解决的问题所在。

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，提供一种既快又稳的液压马达角速度伺服系统。

为了实现上述目的，本发明采用的技术方案是：

一种液压马达角速度伺服系统，该系统由角速度指令信号发生器、伺服控制器、伺服放大器、伺服对象、角速度测量传感器和液压源组成；其中所述伺服控制器由比较器、第一积分器、积分系数K_i1乘法器、第一减法器、第二积分器、积分系数K_i2乘法器、第二减法器、反馈系数K_d1乘法器和反馈系数K_d2乘法器组成，所述伺服对象由电液伺服阀、液压马达和机械负载组成；所述角速度指令信号发生器的输出端依次串接比较器、第一积分器、积分系数K_i1乘法器、第一减法器、第二积分器、积分系数K_i2乘法器、第二减法器、伺服控制器、电液伺服阀、液压马达、机械负载后接角速度测量传感器的输入端，角速度测量传感器的输出端分别接较器、反馈系数K_d1乘法器和反馈系数K_d2乘法器的输入端，反馈系数K_d1乘法器的输出端接第一减法器的输入端，反馈系数K_d2乘法器的输出端接第二减法器的输入端，液压源的输出端分别接电液伺服阀和液压马达的输入端。

积分系数K_i1乘法器、积分系数K_i2乘法器、反馈系数K_d1乘法器和反馈系数K_d2乘法器的初始整定值如下：

$K_{i1}=4.548{\left(\frac{M_{\max }}{r_{0,ml}JK}\right)}^2;$

$K_{d1}=3.694\frac{M_{\max }}{r_{0,ml}JK}-B;$

$K_{i2}=K_{d2}=11.081\frac{M_{\max }}{r_{0,ml}K};$

式中：K_i1、K_i2分别为积分系数K_i1乘法器、积分系数K_i2乘法器积分系数即初始整定值；K_d1、K_d2分别为反馈系数K_d1乘法器和反馈系数K_d2乘法器的反馈系数即初始整定值；K为伺服放大器的放大倍数，J为伺服对象的等效转动惯量，B为伺服对象等效阻尼系数；M_max为伺服放大器在线性范围内能够输出的最大电压；r_0,ml为线性范围内角速度输入的最大值。

本发明的有益效果是：

(1)控制参数的调整有计算公式可循，只要通过参数辨识方法辨识出伺服对象的等效转动惯量和等效阻尼系数，就可以依据公式很快地调试出控制参数，避免了参数调整的盲目性，节省时间。

(2)液压系统往往都是欠阻尼的，通过控制参数的调整使得闭环系统变成临界阻尼系统，提高了系统的稳定性并避免了超调现象的出现。

(3)充分考虑伺服放大器在线性范围内的极限输出能力，并在控制参数中体现，使得系统的响应能力得到最大体现，响应速度大大提高。

(4)由于伺服控制器的特殊设计，使得电液角速度伺服系统的静态和动态性能得到全面改善。静态达到无静差，动态响应时间短且无超调和振荡，动态跟踪精度高，同时由于能量的充分利用，对于外界环境的干扰和机械负载本身参数的变化，系统性能变化不敏感。

附图说明

图1是本发明的电液角速度伺服系统构成方框图；

图2是液压马达角速度伺服系统实施例的模拟电器元件控制电路图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步详细描述：

如图1所示是本发明的电液角速度伺服系统构成框图。该电液角速度伺服系统由角速度指令信号发生器110、伺服控制器120、伺服放大器130、伺服对象140、角速度测量传感器150和液压源160组成；所述伺服控制器120由比较器121、第一积分器122、积分系数K_i1乘法器123、第一减法器124、第二积分器125、积分系数K_i2乘法器126、第二减法器127、反馈系数K_d1乘法器128和反馈系数K_d2乘法器129组成，所述比较器121、第一积分器122、积分系数K_i1乘法器123、第一减法器124、第二积分器125、积分系数K_i2乘法器126和第二减法器127按顺序连接，比较器121还分别与角速度指令信号发生器110和角速度测量传感器150连接，所述第一减法器124通过反馈系数K_d1乘法器128与角速度测量传感器150连接，所述第二减法器127通过反馈系数K_d2乘法器129与角速度测量传感器150连接，第二减法器127还与伺服放大器130连接；伺服对象140由电液伺服阀141、液压马达142和机械负载143组成，所述电液伺服阀141、液压马达142和机械负载143按顺序连接，电液伺服阀141还与伺服放大器130连接，机械负载143还与角速度测量传感器150连接，其运动角速度检测后反馈到输入端，此外电液伺服阀141和液压马达142还分别与液压源160连接。

图2所示实施例采用运算放大器组成液压马达速度控制的模拟控制电路，比较器由运算放大器A1及电阻R1-R4组成；第一积分器由运算放大器A2，电阻R5和电容C1组成；第一减法器由运算放大器A3及电阻R6-R9组成；第二积分器由运算放大器A5，电阻R10和电容C2组成；，第二减法器由运算放大器A6及电阻R11-R14组成；反相器由运算放大器A7及电阻R15-R16组成；运算放大器A8接成跟随器形式，进行阻抗变换，提高传感器的负载能力，输入端接速度传感器送来的反馈信号，输出接到第一减法器和第二减法器的负相端。

电阻R1-R4，R6-R9，R11-R16均可取10KΩ等值的精密电阻，为方便起见，假设电阻R1-R4，R6-R9，R11-R16的阻值为R；电位器P1-P3采用10圈精密电位器，设电位器P1的分压比为K_P1，电位器P2的分压比为K_P2，电位器P3的分压比为K_P3，则有下列关系：

$K_{P1}=\frac{K_{i1}{K}_{d2}}{K_{d1}}{R}_5{C}_1;$

K_P2＝K_d1R₁₀C₂；

K_P3＝K_d2；

由上述公式可知，电位器P1的分压比K_P1由控制参数K_i1、K_d2、电阻R5的阻值、电容器C1的容值四项的乘积再与控制参数K_d1的比值确定；电位器P2的分压比K_P2由电阻R10的阻值、控制参数K_d1、电容C1的容值这三项的乘积确定；电位器P2的分压比K_P3由控制参数K_d2决定。

Claims (2)

1.一种液压马达角速度伺服系统，其特征是：该系统由角速度指令信号发生器、伺服控制器、伺服放大器、伺服对象、角速度测量传感器和液压源组成；其中所述伺服控制器由比较器、第一积分器、积分系数K_i1乘法器、第一减法器、第二积分器、积分系数K_i2乘法器、第二减法器、反馈系数K_d1乘法器和反馈系数K_d2乘法器组成，所述伺服对象由电液伺服阀、液压马达和机械负载组成；所述角速度指令信号发生器的输出端依次串接比较器、第一积分器、积分系数K_i1乘法器、第一减法器、第二积分器、积分系数K_i2乘法器、第二减法器、伺服控制器、电液伺服阀、液压马达、机械负载后接角速度测量传感器的输入端，角速度测量传感器的输出端分别接比较器、反馈系数K_d1乘法器和反馈系数K_d2乘法器的输入端，反馈系数K_d1乘法器的输出端接第一减法器的输入端，反馈系数K_d2乘法器的输出端接第二减法器的输入端，液压源的输出端分别接电液伺服阀和液压马达的输入端。

2.根据权利要求1所述的液压马达角速度伺服系统，其特征是：积分系数K_i1乘法器、积分系数K_i2乘法器的反馈系数的初始整定值如下：

$K_{i1}=4.548{\left(\frac{M_{\max }}{r_{0,ml}JK}\right)}^2;$

$K_{d1}=3.694\frac{M_{\max }}{r_{0,ml}JK}-B;$

$K_{i2}=K_{d2}=11.081\frac{M_{\max }}{r_{0,ml}K};$

式中：K_i1、K_i2分别为积分系数K_i1乘法器、积分系数K_i2乘法器积分系数即初始整定值；K_d1、K_d2分别为反馈系数K_d1乘法器和反馈系数K_d2乘法器的反馈系数即初始整定值；K为伺服放大器的放大倍数，J为伺服对象的等效转动惯量，B为伺服对象等效阻尼系数；M_max为伺服放大器在线性范围内能够输出的最大电压；r_0,ml为线性范围内角速度输入的最大值。