CN103647488A - 一种液压马达角位移数字伺服控制系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种液压马达角位移数字伺服控制系统及方法，所述控制系统由数字控制计算机、数/模转换模块、伺服放大器、伺服对象、液压源、光电编码器和高速计数模块组成；控制方法的步骤为：初始化积分器后读取随动指令信号和反馈信号，对反馈信号进行一次差分并乘以一次差分系数得到一次差分乘积，再对一次差分信号进行二次差分运算并乘以二次差分系数得到二次差分乘积，将随动指令信号与反馈信号、一次差分乘积和二次差分乘积这三者之和取误差，所得误差信号进行累加积分并乘以积分系数得到积分乘积，将所得积分乘积进行数/模转换得到模拟量控制信号经伺服放大器控制伺服对象。本发明不仅节约成本，简化安装，而且提高了系统响应能力。

Description

一种液压马达角位移数字伺服控制系统及方法

技术领域：

本发明涉及一种液压马达角位移数字伺服控制系统及方法，特别涉及一种由数字计算机控制的性能优良的适用于液压马达角位移的数字伺服控制方法。

背景技术：

目前各种机构的精确控制几乎都采用闭环反馈控制方式，液压马达角位移的精确控制也不例外，而为了实现闭环反馈控制，往往都是对输入、输出间的误差信号进行比例（P）、积分（I）、微分（D）等运算，而这些运算方法施加在何处却是一个值得探讨的问题。目前广泛使用的方法都是在前向通道中对误差进行PID运算，实施起来简单易行，但是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。对角位移指令信号的每一种运算就相当于在角位移伺服系统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，角位移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，在前向通道中积分运算却是必不可少的，另外的强迫项（主要指微分运算）可以施加在反馈通道中，在反馈通道中对被控量的直接的无约束的反馈是必须的，即对液压马达角位移的控制必须有一项是直接反馈角位移值，另外为了提高系统响应能力，角速度和角加速度的反馈也显得非常有必要，虽然反馈量越多，系统显得越复杂，但是有了数字计算机的参与，这些就不成问题了，因为通过软件的实施就避免了硬件的复杂性。

另外，在某些场合下执行机构的超调是不允许的，而传统的PID运算为了避免超调，往往以牺牲响应速度为代价，为了解决二者的矛盾，在设计控制参数时应该采取闭环系统的极点相等，这样可保证系统响应不超调，在此前提下让伺服放大器发挥出最大线性输出能力，从而提高了系统动态响应能力，因此闭环系统的极点相等，伺服放大器的输出能达到其线性范围内的极大值是设计控制参数的两个必要条件，这样设计出的液压马达角位移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，对液压马达角位移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电液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位移数字伺服控制系统及方法。

为了实现上述目的，本发明采用的技术方案是：

一种液压马达角位移数字伺服控制系统，所述系统由数字控制计算机、数/模转换模块、伺服放大器、伺服对象、液压源、光电编码器和高速计数模块组成；伺服对象由电液伺服阀的输出端依次串接液压马达、机械负载构成，数字控制计算机的输出端依次串接数/模转换模块、伺服放大器后接电液伺服阀的输入端，液压源的输出端分别接电液伺服阀和液压马达的输入端，机械负载的输出端依次串接光电编码器和高速计数模块后接数字控制计算机的输入端。

一种液压马达角位移数字伺服控制系统的控制方法，包括如下步骤：

（1）开始，数字控制计算机对其程序中设置的积分器进行初始化，积分器清零；

（2）数字控制计算机读取随动数字量指令信号值；

（3）高速计数器模块采集由光电编码器传送过来的随动输出数字量反馈信号并传输给数字控制计算机；

（4）数字控制计算机对随动输出数字量反馈信号进行一次差分运算；

（5）数字控制计算机对一次差分运算结果乘以一次差分系数得到一次差分乘积；

（6）数字控制计算机对一次差分运算结果进行二次差分运算；

（7）数字控制计算机对二次差分运算结果乘以二次差分系数得到二次差分乘积；

（8）数字控制计算机对反馈信号、一次差分乘积和二次差分乘积三者进行加法运算；

（9）数字控制计算机对随动指令信号与加法运算结果取误差；

（10）数字控制计算机对误差信号进行累加积分；

（11）数字控制计算机将累加积分结果乘以积分系数得到积分乘积；

（12）数/模转换模块将积分乘积进行数/模转换得到模拟量控制信号，工作流程同时又返回到步骤2；

（13）数/模转换模块将模拟量控制信号输入到伺服放大器进行信号放大后驱动电液伺服阀以控制液压马达带动机械负载运动。

积分器的积分系数K_i，一次差分系数K_d1和二次差分系数K_d2根据如下方法得到，作为其初始整定值：

$K_i=9.032{\left(\frac{1}{J}\right)}^{0.5}{\left(\frac{M_{\max }}{r_{0,\mathrm{ml}}K}\right)}^{1.5};$

$K_{d1}=1.441{\left(\frac{r_{0,\mathrm{ml}}\mathrm{JK}}{M_{\max }}\right)}^{0.5}-B;$

$K_{d2}=0.692\frac{r_{0,\mathrm{ml}}\mathrm{JK}}{M_{\max }};$

式中：K_i为积分器的积分系数；K_d1为一次差分系数、K_d2为二次差分系数；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为线性范围内角位移输入的最大值。

根据给出的公式进行计算，作为其初始整定值，然后再根据实际情况作适当调整，即可达到比较理想的控制效果。

本发明的有益效果是：

（1）只使用一个光电编码器就实现了角位移、角速度和角加速度等状态变量的全反馈，不仅节约成本，简化安装，而且提高了系统响应能力。

（2）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比系数，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。

（3）控制参数的设计既考虑了液压伺服系统欠阻尼的特性，又考虑了伺服放大器在线性范围内的极限输出能力，使得经过校正的闭环系统处于临界阻尼状态，同时又最大限度地利用伺服放大器的线性输出能力，因此通过该方法的实施，使得伺服对象静态无静差，动态响应时间短且无超调和振荡，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，系统性能变化不敏感，静态和动态性能得到全面改善。

附图说明

图1是本发明实施例的液压马达角位移数字伺服控制方法构成方框图；

图2是本发明实施例的液压马达角位移数字伺服控制方法的流程图。

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，是本发明实施例的液压马达角位移数字伺服控制方法构成方框图。该控制方法由数字控制计算机110、数/模转换模块120、伺服放大器130、液压源140、伺服对象150、光电编码器160和高速计数模块170组成；数字控制计算机110、数/模转换模块120、伺服放大器130、伺服对象150、光电编码器160和高速计数模块170按顺时针方向环形相连；其中所述伺服对象150由电液伺服阀151、液压马达152、机械负载153按顺序串行连接，所述电液伺服阀151还与伺服放大器130连接，机械负载153还与光电编码器160连接，电液伺服阀151和液压马达152还分别与液压源140连接。

如图2所示，是本发明实施例的液压马达角位移数字伺服控制方法的流程图，所述控制方法步骤如下：

（1）步骤11数字控制计算机对其程序中设置的积分器进行初始化，积分器清零，即INT=0；

（2）步骤12数字控制计算机读取随动数字量指令信号值θR；

（3）步骤13高速计算器模块采集由光电编码器传送过来的随动输出数字量反馈信号θF并传输给数字控制计算机；

（4）步骤14数字控制计算机对随动输出数字量反馈信号θF进行一次差分运算P3=ΔθR/ΔT；

（5）步骤15数字控制计算机对一次差分运算结果P3乘以一次差分系数Kd1得到一次差分乘积P2；

（6）步骤16数字控制计算机对一次差分运算结果P3进行二次差分运算P1=ΔP3/ΔT；

（7）步骤17数字控制计算机对二次差分运算结果P1乘以二次差分系数Kd2得到二次差分乘积P0；

（8）步骤18数字控制计算机对反馈信号θF、一次差分乘积P2和二次差分乘积P0三者进行加法运算θ=θF+P2+P0；

（9）步骤19数字控制计算机对随动指令信号θR与步骤180中加法运算结果θ取误差ER=θR-θ；

（10）步骤20数字控制计算机对误差信号进行累加积分INT=INT+ER；

（11）步骤21数字控制计算机将累加积分结果INT乘以积分系数Ki得到积分乘积M；

（12）步骤22数/模转换模块将积分乘积M进行数/模转换得到模拟量控制信号，工作流程同时又返回到步骤12，如此循环不断地对随动装置进行控制；

（13）步骤23数/模转换模块将模拟量控制信号输入到伺服放大器进行信号放大后驱动电液伺服阀以控制液压马达带动机械负载运动。

Claims (3)

1.一种液压马达角位移数字伺服控制系统，其特征是：所述系统由数字控制计算机、数/模转换模块、伺服放大器、伺服对象、液压源、光电编码器和高速计数模块组成；伺服对象由电液伺服阀的输出端依次串接液压马达、机械负载构成，数字控制计算机的输出端依次串接数/模转换模块、伺服放大器后接电液伺服阀的输入端，液压源的输出端分别接电液伺服阀和液压马达的输入端，机械负载的输出端依次串接光电编码器和高速计数模块后接数字控制计算机的输入端。

2.一种如权利要求1所述的液压马达角位移数字伺服控制系统的控制方法，其特征在于包括如下步骤：

（1）开始，数字控制计算机对其程序中设置的积分器进行初始化，积分器清零；

（2）数字控制计算机读取随动数字量指令信号值；

（3）高速计数器模块采集由光电编码器传送过来的随动输出数字量反馈信号并传输给数字控制计算机；

（4）数字控制计算机对随动输出数字量反馈信号进行一次差分运算；

（5）数字控制计算机对一次差分运算结果乘以一次差分系数得到一次差分乘积；

（6）数字控制计算机对一次差分运算结果进行二次差分运算；

（7）数字控制计算机对二次差分运算结果乘以二次差分系数得到二次差分乘积；

（8）数字控制计算机对反馈信号、一次差分乘积和二次差分乘积三者进行加法运算；

（9）数字控制计算机对随动指令信号与加法运算结果取误差；

（10）数字控制计算机对误差信号进行累加积分；

（11）数字控制计算机将累加积分结果乘以积分系数得到积分乘积；

（12）数/模转换模块将积分乘积进行数/模转换得到模拟量控制信号，同时返回到步骤（2）；

（13）数/模转换模块将模拟量控制信号输入到伺服放大器进行信号放大后驱动电液伺服阀以控制液压马达带动机械负载运动。

3.根据权利要求2所述的液压马达角位移数字伺服控制系统的控制方法，其特征是：积分器的积分系数K_i，一次差分系数K_d1和二次差分系数K_d2根据如下方法得到，作为其初始整定值：

$K_i=9.032{\left(\frac{1}{J}\right)}^{0.5}{\left(\frac{M_{\max }}{r_{0,\mathrm{ml}}K}\right)}^{1.5};$

$K_{d1}=1.441{\left(\frac{r_{0,\mathrm{ml}}\mathrm{JK}}{M_{\max }}\right)}^{0.5};$

$K_{d2}=0.692\frac{r_{0,\mathrm{ml}}\mathrm{JK}}{M_{\max }}-B;$

式中：K_i为积分器的积分系数；K_d1为一次差分系数、K_d2为二次差分系数；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为线性范围内角位移输入的最大值。

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