CN106054592B - 一种电液位置伺服控制器 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种电液位置伺服控制器，由比较器、第一电位器、第一积分器、第一减法器、第二减法器、第二电位器、第二积分器、第三减法器、第四减法器、第三电位器和第三积分器依次串接；由跟随器的输出端分别连接比较器、第四电位器、第一微分器的输入端；由第四电位器的输出端串接至第一减法器的输入端；由第一微分器的输出端分别接所述第二减法器、第五电位器和第二微分器的输入端；由第五电位器的输出端串接第三减法器的输入端；由第二微分器的输出端串接第四减法器的输入端组成。本发明功能完善，接口简单，可实现位移、速度、加速度等状态变量的全反馈，参数调整方便，被控制的电液伺服对象响应快而无超调，且具有极强的抗负载扰动能力。
Description
技术领域
本发明涉及一种电液位置伺服控制器，更具体地说，是涉及一种采用模拟电路实现的具有极强抗负载扰动的电液位置伺服控制器。
背景技术
众所周知，电液位置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，传统的电液位置伺服控制器是在其前向通道中对输入、输出之间的误差信号进行比例(P控制)、比例加积分(PI控制)、比例加积分加微分(PID控制)运算以产生位移控制信号，从而为电液伺服对象的位置提供精确调节。
上述控制方法均可归类为PID控制，其对电液伺服对象位置控制的效果往往是响应速度不快，且容易出现超调，需要在响应速度和超调量二者之间作出折中处理，究其原因：1、是由于其自身控制结构的限制，前向通道内对误差的运算，是对输入信号和反馈信号同时进行的，事实上，由于对误差的P、I、D运算，也产生了对输入信号的强迫运算，使控制系统出现多个强迫项，这样，电液位置伺服系统的输出就不能快速精确复现位移指令信号；2、是其控制参数并不是根据电液伺服对象的参数进行调整，而是直接采用试凑法或经验法调整电控制参数，这就造成控制参数调整比较盲目，且电液位置伺服系统的调试费时费力，位置伺服性能难以满足工程要求。因此为了获得良好的综合性能，需要根本改变电液位置伺服控制器的内部运算结构，也就是需要合理布置P、I、D等运算实施的位置，且控制参数的设计中需要遵循以下两条规则：1、在线性范围内位移指令信号输入达到最大值时，伺服放大器达到其最大输出能力，也就是说电液伺服放大器的输出能力应得到充分利用；2、由电液伺服控制器、电液伺服对象以及位移传感器构成闭环系统的等效阻尼比为1。这两条规则是传统的在前向通道施加PID控制由于其控制结构的限制而无法兼顾的。规则1是为了实现系统响应的快速性，规则2是为保证系统响应无超调。另外，如果同时反馈了速度和加速度等状态变量，系统可以对任何负载变化引起的状态变化作出快速预测，由这样的电液位置伺服控制器控制的电液位置伺服系统才能快、无超调且具有极强的抗负载扰动能力。显然，状态变量反馈越多，系统势必越复杂，但在微电子技术快速发展的今天，这些已不成为问题。
随着各种机械设备对综合性能要求的提高，对电液位置伺服系统性能提出了越来越高的要求。当今广泛使用的伺服控制器已不能满足要求，采用新的电液位置伺服控制器是进一步提高电液位置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，提供一种性能优良、低成本且使用方便的电液位置伺服控制器。
为了实现上述目的，本发明采用的技术方案是：
一种电液位置伺服控制器，由比较器、第一电位器、第一积分器、第一减法器、第二减法器、第二电位器、第二积分器、第三减法器、第四减法器、第三电位器、第三积分器、跟随器、第四电位器、第一微分器、第五电位器和第二微分器组成。所述比较器、第一电位器、第一积分器、第一减法器、第二减法器、第二电位器、第二积分器、第三减法器、第四减法器、第三电位器和第三积分器依次串接；所述跟随器的输出端分别接所述比较器、第四电位器、第一微分器的输入端；所述第四电位器的输出端串接所述第一减法器的输入端；所述第一微分器的输出端分别接所述第二减法器、第五电位器和第二微分器的输入端；所述第五电位器的输出端串接所述第三减法器的输入端；所述第二微分器的输出端串接所述第四减法器的输入端。其中，
所述第一电位器由多圈精密电位器P1构成，所述多圈精密电位器P1的分压比为Kp1，利用下式计算得到，作为其初始整定值：
式中：R5为第五电阻的阻值；R24为第二十四电阻的阻值；C1为第一电容的容值，C4为第四电容的容值；J为电液伺服对象的等效惯量；Mmax为电液伺服放大器在线性范围内能够输的最大电压；r0,ml为线性范围内位移指令信号的最大值。
所述第二电位器由多圈精密电位器P2构成，所述多圈精密电位器P2的分压比为Kp2，利用下式计算得到，作为其初始整定值：
式中：R14为第十四电阻的阻值；R25为第二十五电阻的阻值；C2为第二电容的容值；C5为第五电容的容值；J为电液伺服对象的等效惯量；Mmax为电液伺服放大器在线性范围内能够输的最大电压；r0,ml为线性范围内位移指令信号的最大值。
所述第三电位器由多圈精密电位器P3构成，所述多圈精密电位器P3的分压比为Kp3，利用下式计算得到，作为其初始整定值：
式中：R23为第二十三电阻的阻值；R24为第二十四电阻的阻值；R25为第二十五电阻的阻值；C3为第三电容的容值；C4为第四电容的容值；C5为第五电容的容值；J为电液伺服对象的等效惯量；Mmax为电液伺服放大器在线性范围内能够输的最大电压；r0,ml为线性范围内位移指令信号的最大值。
所述第四电位器由多圈精密电位器P4构成，所述多圈精密电位器P4的分压比为Kp4，利用下式计算得到，作为其初始整定值：
式中：R24为第二十四电阻的阻值；C4为第四电容的容值；J为电液伺服对象的等效惯量；Mmax为电液伺服放大器在线性范围内能够输的最大电压；r0,ml为线性范围内位移指令信号的最大值。
所述第五电位器由多圈精密电位器P5构成，所述多圈精密电位器P5的分压比为Kp5，利用下式计算得到，作为其初始整定值：
式中：R25为第二十五电阻的阻值；C5为第五电容的容值；J为电液伺服对象的等效惯量；B为电液伺服对象等效阻尼系数；Mmax为电液伺服放大器在线性范围内能够输的最大电压；r0,ml为线性范围内位移指令信号的最大值。
本发明的优点和有益效果是：
(1)本发明的电液位置伺服控制器由常规电气元件构成，可实现位移、速度、加速度等状态变量的全反馈，节约成本。
(2)本发明的电液位置伺服控制器功能完善，接口简单，对用户来说相当于开环控制，使用方便。
(3)本发明的电液位置伺服控制器的可调电位器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惯量和等效阻尼系数，就可以依据公式很快地调试出可调电位器的分压比，节省时间。
(4)本发明的电液位置伺服控制器与电液伺服对象以及位移传感器构成的闭环系统的阻尼通过可调电位器的调整变成临界阻尼，提高了系统的稳定性并避免了超调现象的出现，且由于采用模拟电路来实现积分，有效克服了数字电路中常出现的积分饱和现象；充分考虑电液伺服放大器在线性范围内的极限输出能力，使得系统的响应能力得到最大体现，响应速度大大提高；由于反馈了位移、速度、加速度等状态变量，使得系统特性极硬，具有极强的抗负载扰动能力。
附图说明
图1是本发明的电液位置伺服控制器构成图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步的详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用于解释本发明，并不用于限定本发明。
如图1所示是本发明的电液位置伺服控制器构成图。该电液位置伺服控制器由比较器11、第一电位器13、第一积分器14、第一减法器16、第二减法器18、第二电位器19、第二积分器20、第三减法器22、第四减法器24、第三电位器25、第三积分器26、跟随器12、第四电位器15、第一微分器17、第五电位器21和第二微分器23组成。所述比较器11、第一电位器13、第一积分器14、第一减法器16、第二减法器18、第二电位器19、第二积分器20、第三减法器22、第四减法器24、第三电位器25、第三积分器26依次串接；所述跟随器12的输出端分别接所述比较器11、第四电位器15、第一微分器17的输入端；所述第四电位器15的输出端串接所述第一减法器的输入端16；所述第一微分器17的输出端分别接所述第二减法器18、第五电位器21和第二微分器23的输入端；所述第五电位器21的输出端串接所述第三减法器22的输入端；所述第二微分器23的输出端串接所述第四减法器24的输入端。
比较器11由第一运算放大器A1及第一电阻R1至第四电阻R4组成；第一电位器13由多圈精密电位器P1构成；第一积分器14由第二运算放大器A2及第五电阻R5和第一电容C1组成；第一减法器16由第三运算放大器A3及第六电阻R6至第九电阻R9组成；第二减法器18由第四运算放大器A4及第十电阻R10至第十三电阻R13组成；第二电位器19由多圈精密电位器P2构成；第二积分器20由第五运算放大器A5及第十四电阻R14和第二电容C2组成；第三减法器22由第六运算放大器A6及第十五电阻R15至第十八电阻R18组成；第四减法器24由第七运算放大器A7及第十九电阻R19至第二十二电阻R22组成；第三电位器25由多圈精密电位器P3构成；第三积分器26由第八运算放大器A8及第二十三电阻R23和第三电容C3组成；跟随器12由第九运算放大器A9接成跟随形式；第四电位器15由多圈精密电位器P4构成；第一微分器17由第十运算放大器A10及第四电容C4和第二十四电阻R24组成；第五电位器21由多圈精密电位器P5构成；第二微分器23由第十一运算放大器A11及第五电容C5和第二十五电阻R25组成。
其中，所述的第一电阻R1至第四电阻R4，第五电阻R5，第六电阻R6至第九电阻R9，第十电阻R10至第十三电阻R13，第十四电阻R14，第十五电阻R15至第十八电阻R18，第十九电阻R19至第二十二电阻R22，第二十三电阻R23，第二十四电阻R24，第二十五电阻R25，均取10KΩ等值的精密电阻；第一电位器P1至第五电位器P5均采用10圈精密电位器。设第一电位器P1的分压比为KP1，第二电位器P2的分压比为KP2，第三电位器P3的分压比为KP3，第四电位器P4的分压比为KP4，第五电位器P5的分压比为KP5，则分别有下列关系式：
上式中：J为电液伺服对象的等效惯量；B为电液伺服对象等效阻尼系数；Mmax为电液伺服放大器在线性范围内能够输的最大电压；r0,ml为线性范围内位移指令信号的最大值。
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式。当然，本发明还可有其它多种实施例，在不背离本发明精神及其实质的情况下，任何熟悉本技术领域的技术人员，当可根据本发明作出各种相应的等效改变和变形，都应属于本发明所附的权利要求的保护范围。
Claims (7)
1.一种电液位置伺服控制器，其特征在于：由比较器、第一电位器、第一积分器、第一减法器、第二减法器、第二电位器、第二积分器、第三减法器、第四减法器、第三电位器、第三积分器、跟随器、第四电位器、第一微分器、第五电位器和第二微分器组成；所述比较器、第一电位器、第一积分器、第一减法器、第二减法器、第二电位器、第二积分器、第三减法器、第四减法器、第三电位器和第三积分器依次串接；所述跟随器的输出端分别接所述比较器、第四电位器、第一微分器的输入端；所述第四电位器的输出端串接所述第一减法器的输入端；所述第一微分器的输出端分别接所述第二减法器、第五电位器和第二微分器的输入端；所述第五电位器的输出端串接所述第三减法器的输入端；所述第二微分器的输出端串接所述第四减法器的输入端。
2.根据权利要求1所述的电液位置伺服控制器，其特征在于，所述第一电位器由多圈精密电位器P1构成，所述多圈精密电位器P1的分压比为KP1，利用下式计算得到，作为其初始整定值：
式中：R5为第五电阻的阻值；R24为第二十四电阻的阻值；C1为第一电容的容值，C4为第四电容的容值；其中第五电阻和第一电容是属于所述第一积分器的元件，第二十四电阻和第四电容是属于所述第一微分器的元件；J为电液伺服对象的等效惯量；Mmax为所述电液位置伺服控制器所串接的元件——电液伺服放大器在线性范围内能够输的最大电压；r0,ml为线性范围内位移指令信号的最大值。
3.根据权利要求1所述的电液位置伺服控制器，其特征在于，所述第二电位器由多圈精密电位器P2构成，所述多圈精密电位器P2的分压比为KP2，利用下式计算得到，作为其初始整定值：
式中：R14为第十四电阻的阻值；R25为第二十五电阻的阻值；C2为第二电容的容值；C5为第五电容的容值；其中第十四电阻和第二电容是属于所述第二积分器的元件，第二十五电阻和第五电容是属于所述第二微分器的元件；J为电液伺服对象的等效惯量；Mmax为所述电液位置伺服控制器所串接的元件——电液伺服放大器在线性范围内能够输的最大电压；r0,ml为线性范围内位移指令信号的最大值。
4.根据权利要求1所述的电液位置伺服控制器，其特征在于，所述第三电位器由多圈精密电位器P3构成，所述多圈精密电位器P3的分压比为KP3，利用下式计算得到，作为其初始整定值：
式中：R23为第二十三电阻的阻值；R24为第二十四电阻的阻值；R25为第二十五电阻的阻值；C3为第三电容的容值；C4为第四电容的容值；C5为第五电容的容值；其中第二十三电阻和第三电容是属于所述第三积分器的元件，第二十四电阻和第四电容是属于所述第一微分器的元件，第二十五电阻和第五电容是属于所述第二微分器的元件；J为电液伺服对象的等效惯量；Mmax为所述电液位置伺服控制器所串接的元件——电液伺服放大器在线性范围内能够输的最大电压；r0,ml为线性范围内位移指令信号的最大值。
5.根据权利要求1所述的电液位置伺服控制器，其特征在于，所述第四电位器由多圈精密电位器P4构成，所述多圈精密电位器P4的分压比为KP4，利用下式计算得到，作为其初始整定值：
式中：R24为第二十四电阻的阻值；C4为第四电容的容值，第二十四电阻和第四电容是属于所述第一微分器的元件；J为电液伺服对象的等效惯量；Mmax为所述电液位置伺服控制器所串接的元件——电液伺服放大器在线性范围内能够输的最大电压；r0,ml为线性范围内位移指令信号的最大值。
6.根据权利要求1所述的电液位置伺服控制器，其特征在于，所述第五电位器由多圈精密电位器P5构成，所述多圈精密电位器P5的分压比为KP5，利用下式计算得到，作为其初始整定值：
式中：R25为第二十五电阻的阻值；C5为第五电容的容值，第二十五电阻和第五电容是属于所述第二微分器的元件；J为电液伺服对象的等效惯量；B为电液伺服对象等效阻尼系数；Mmax为所述电液位置伺服控制器所串接的元件——电液伺服放大器在线性范围内能够输的最大电压；r0,ml为线性范围内位移指令信号的最大值。
7.根据权利要求2至6任一项所述的电液位置伺服控制器，其特征在于，所述的多圈精密电位器采用10圈精密电位器。
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