CN108626206B - 一种用于电液伺服控制系统的状态参数获取装置 - Google Patents

一种用于电液伺服控制系统的状态参数获取装置 Download PDF

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Abstract

本发明属于电液控制领域，提出了一种用于电液伺服控制系统的状态参数获取装置，包括加速度传感器、位置速度传感器、位置给定控制器、位置控制器、一阶微分控制器、二阶微分控制器、三阶微分控制器、速度控制器、加速度控制器和系统控制器；本发明通过对电液伺服系统位移、速度、加速度、位移偏差、速度偏差和加速度偏差六种状态参数进行实时在线采集，为系统控制器提供状态参数，并由系统控制器根据不同的控制策略输出控制信号驱动液压执行单元工作以提高电液伺服系统控制性能。适用于需要采用多种状态参数来实现控制的各类机电液协同操纵系统。

Description

一种用于电液伺服控制系统的状态参数获取装置
技术领域
本发明属于电液控制领域，具体涉及一种用于电液伺服控制系统的状态参数获取装置，适用于工程机械、农业机械、航空航天等各类机电液协同操纵系统。
背景技术
液压系统由于自身固有的响应快、功率大、易控制、易布置等优点，被做为动力装置、传动系统、控制系统广泛应用于各种机械装备，随着机电一体化技术的发展和自动化技术的提高，电液控制系统已在国防工业和民用工农业生产中得到普遍应用，在某些具有大功率、快速、精确反应的场合，大都采用了电液伺服控制。然而电液伺服系统所固有的本质非线性、参数不确定性及复杂的未建模动态等特点严重影响了控制性能的提高。
为了改善电液伺服系统的控制性能，通常需要引入反馈，包括位移、速度、加速度等反馈，应用位移偏差、速度偏差和加速度偏差校正系统性能，例如引入速度反馈可以提高主回路的静态刚度，减少速度反馈回路内的干扰和非线性影响，提高系统的静态精度，但同时也降低了系统的阻尼，而要提高系统的响应速度，则必须提高系统固有频率和适当的提高阻尼，这就需要引入加速度反馈以提高系统的阻尼。因此，电液控制系统中需要根据控制策略的需要单独使用某种反馈或综合使用各种反馈的组合，以改善系统的综合控制性能。提供一种对电液控制系统中上述反馈状态及参数实时获取的方法与装置是提高电液控制系统控制效果的重要手段。
发明内容
本发明克服现有技术存在的不足，所要解决的技术问题为：提供一种对电液伺服系统位移、速度、加速度、位移偏差、速度偏差和加速度偏差六种状态参数实时在线采集和处理的装置，可用于需要采用多种状态参数来实现控制的各类机电液协同操纵系统中，以提高电液伺服系统控制性能。
为了解决上述技术问题，本发明采用的技术方案为：一种用于电液伺服控制系统的状态参数获取装置，用于驱动液压执行单元工作，所述状态参数获取装置包括加速度传感器、位置速度传感器、位置给定控制器、位置控制器、一阶微分控制器、二阶微分控制器、三阶微分控制器、速度控制器、加速度控制器和系统控制器；
所述加速度传感器设置在液压执行单元的质量块上，所述位置速度传感器设置在液压执行单元的非对称液压缸上；所述加速度传感器的输出端与加速度控制器连接；所述位置速度传感器的位移信号输出端与位置控制器连接，速度信号输出端与速度控制器连接；
位置给定控制器的输出端分别与位置控制器、一阶微分控制器、二阶微分控制器、三阶微分控制器和系统控制器连接；一阶微分控制器的输出端分别与速度控制器和系统控制器连接，二阶微分控制器的输出端分别与加速度控制器和系统控制器连接，三阶微分控制器的输出端与系统控制器连接；一阶微分控制器用于将位置给定控制器输出的信号进行一阶微分运算处理后输出到速度控制器和系统控制器；二阶微分控制器用于将位置给定控制器输出的信号进行二阶微分运算处理后输出到加速度控制器和系统控制器；三阶微分控制器用于将位置给定控制器输出的信号进行三阶微分运算处理后输出到系统控制器；
位置控制器、速度控制器和加速度控制器的输出端与系统控制器连接；位置控制器用于将位置给定控制器输出的信号与位置速度传感器输出的位移信号进行比较运算处理后，将位置偏差信号发送到系统控制器；速度控制器用于将一阶微分控制器输出的信号与位置速度传感器输出的速度信号进行比较运算处理后，将速度偏差信号输送到系统控制器；加速度控制器用于将二阶微分控制器输出的信号与加速度传感器输出的信号进行比较运算处理后将加速度偏差信号输送到系统控制器；系统控制器将位置给定控制器、位置控制器、一阶微分控制器、二阶微分控制器、三阶微分控制器、速度控制器和加速度控制器传输的数据进行运算处理后输出控制信号，经D/A转换器转换和比例放大器放大后驱动比例伺服阀。
所述的一种用于电液伺服控制系统的状态参数获取装置，还包括第一A/D转换器、第二A/D转换器和第三A/D转换器，所述加速度传感器输出的加速度信号经第一A/D转换器转换后输出到加速度控制器，所述位置速度传感器输出的位移信号经第二A/D转换器转换后输出到位置控制器，位置速度传感器输出的速度信号经第三A/D转换器转换后输出到速度控制器。
本发明与现有技术相比具有以下有益效果：本发明提供一种用于电液伺服控制系统状态参数的获取装置，可实现对电液伺服系统位移、速度、加速度、位移偏差、速度偏差和加速度偏差六种状态参数的实时在线采集和处理，对于提高控制系统精度、增加静态刚度、减少干扰和非线性影响、增加系统的阻尼和频宽、改善速度和加速度响应性能具有重要作用，适用于需要采用多种状态参数来实现控制的各类机电液协同操纵系统中。
附图说明
图1为本发明实施例的一种用于电液伺服控制系统的状态参数获取装置的结构示意图；
图中：1为非对称液压缸，2为比例伺服阀，3为一号油箱，4为蓄能器，5为电动机，6为单向定量泵，7为滤油器，8为二号油箱，9为直动型溢流阀，10为三号油箱，11为质量块，12为加速度传感器，13为第一A/D转换器，14为第二A/D转换器，15为第三A/D转换器，16为位置速度传感器，17为位置给定控制器，18为位置控制器，19为一阶微分控制器，20为二阶微分控制器，21为三阶微分控制器，22为速度控制器，23为加速度控制器，24为系统控制器，25为D/A转换器，26为比例放大器。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例；基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
如图1所示，本发明实施例提供了一种用于驱动液压执行单元工作的电液伺服控制系统状态参数获取装置，其中，液压执行单元包括非对称液压缸1、比例伺服阀2、一号油箱3、蓄能器4、电动机5、单向定量泵6、滤油器7、二号油箱8、直动型溢流阀9、三号油箱10和质量块11。本发明实施例的状态参数获取装置包括加速度传感器12、第一A/D转换器13、第二A/D转换器14、第三A/D转换器15、位置速度传感器16、位置给定控制器17、位置控制器18、一阶微分控制器19、二阶微分控制器20、三阶微分控制器21、速度控制器22和加速度控制器23，所述加速度传感器12设置在液压执行单元的质量块11上，所述位置速度传感器16设置在液压执行单元的非对称液压缸1上；
所述加速度传感器12输出的信号经第一A/D转换器13转换后输出到加速度控制器23，所述位置速度传感器16输出的位移信号经第二A/D转换器14转换后输出到位置控制器18，位置速度传感器16输出的速度信号经第三A/D转换器15转换后输出到速度控制器22；
位置给定控制器17的输出端分别与位置控制器18、一阶微分控制器19、二阶微分控制器20、三阶微分控制器21和系统控制器24连接；一阶微分控制器19的输出端分别与速度控制器22和系统控制器24连接，二阶微分控制器20的输出端分别与加速度控制器23和系统控制器24连接，三阶微分控制器21的输出端与系统控制器24连接；一阶微分控制器19用于将位置给定控制器17输出的信号进行一阶微分运算处理后输出到速度控制器22和系统控制器24；二阶微分控制器20用于将位置给定控制器17输出的信号进行二阶微分运算处理后输出到加速度控制器23和系统控制器24；三阶微分控制器21用于将位置给定控制器17输出的信号进行三阶微分运算处理后输出到系统控制器24；
位置控制器18、速度控制器22和加速度控制器23的输出端与系统控制器24连接；位置控制器18用于将位置给定控制器17输出的信号与第二A/D转换器14输出的位移信号进行比较运算处理后，将偏差信号发送到系统控制器24；速度控制器22用于将一阶微分控制器19输出的信号与第三A/D转换器15输出的速度信号进行比较运算处理后，将偏差信号输送到系统控制器24；加速度控制器23用于将二阶微分控制器20输出的信号与第一A/D转换器13输出的信号进行比较运算处理后将偏差信号输送到系统控制器24；系统控制器24用于将位置给定控制器17、位置控制器18、一阶微分控制器19、二阶微分控制器20、三阶微分控制器21、速度控制器22和加速度控制器23传输的数据进行运算处理后输出控制信号驱动比例伺服阀2。
此外，如图1所示，系统控制器24输出的控制信号经D/A转换器25处理后再经比例放大器26进行放大，比例放大器26输出的信号驱动比例伺服阀2阀芯位移，通过液压油流量变化控制非对称液压缸1的运动，实现对电液系统的控制功能。对于不同的控制方法，系统控制器24采用的系统控制函数不同。
本发明装置可用于需要采用多种状态参数来实现控制的各类机电液协同操纵系统中，以提高电液伺服系统控制性能。
下面结合附图1并以滑模控制为例进一步详细说明如何通过本发明装置获取电液伺服系统的状态参数并将其用于电液伺服系统的滑模控制，本实施例是对本发明的详细说明，并不对本发明做出任何限制。
电液伺服系统工作时，位置与速度传感器16将实时测量的非对称液压缸1的位移信号x经第一A/D转换器14转换后输出到位置控制器18，位置控制器18将位置给定控制器17输出的位置给定信号r与第二A/D转换器14输出的位置信号x进行比较运算处理后将位置偏差信号e1输出到系统控制器24；位置与速度传感器16将实时测量的非对称液压缸1的速度信号v经第三A/D转换器15转换后输出到速度控制器22，位置给定控制器17输出的位置给定信号r经一阶微分控制器19进行一阶微分运算后得到速度给定信号输出给速度控制器22和系统控制器24，速度控制器22将一阶微分控制器19输出的速度给定信号与经第三A/D转换器15转换后输出的速度信号v进行比较运算处理后将速度偏差信号e2输出到系统控制器24；加速度传感器12将实时测量的非对称液压缸1的加速度信号a经第一A/D转换器13转换后输出到加速度控制器23，位置控制器17输出的位置给定信号r经二阶微分控制器20进行二阶微分运算后得到加速度给定信号输出给加速度控制器23和系统控制器24，加速度控制器23将二阶微分控制器20输出的加速度给定信号与经第一A/D转换器13输出的加速度信号a进行比较运算处理后将加速度偏差信号e3输出到系统控制器24；三阶微分控制器21将位置给定信号r进行微分得到位置给定信号r的三阶微分并传输给系统控制器24。
系统控制器24将位置给定控制器17、位置控制器18、一阶微分控制器19、二阶微分控制器20、三阶微分控制器21、速度控制器22和加速度控制器23输送的信号，根据系统控制函数进行运算处理后输出数字控制信号给D/A转换器25，D/A转换器25将系统控制器24输出的数字控制信号转化为模拟信号输出给比例放大器26，比例放大器26将D/A转换器25输出的模拟信号进行比例放大后输出给比例伺服阀2，控制比例伺服阀2的阀芯移动，使得流入非对称液压缸1的液压油流量和方向发生变化，驱动非对称液压缸1按照滑模控制规律进行运动，实现使电液系统滑模控制中的抖振减小到工程允许的范围内的功能，提高控制品质。
所述系统控制器24在采用滑模控制时根据下述系统控制函数输出控制信号：
式(1)中，f(t)为系统控制器24输出的控制信号，μ为趋近速率常数，e1为位置控制器18输出的位置偏差信号，e2为速度控制器22输出的速度偏差信号，e3为加速度控制器23输出的加速度偏差信号，k1为位置偏差系数，k2为速度偏差系数，k3为加速度偏差系数，r表示位置给定器17输出的信号，表示一阶微分控制器19输出的信号，表示二阶微分控制器20输出的信号，表示三阶微分控制器21输出的信号，k4表示位置二阶微分系数，k5表示位置一阶微分系数，k6表示位置系数，Kv为控制器增益，Ksv为伺服阀增益，KQ为流量增益，βe为有效体积弹性模量，Ap为液压缸活塞有效面积，mt为活塞及负载折算到活塞上的总质量，Vt为液压缸总压缩容积，z表示切换函数，其计算公式为：
最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。

Claims (2)

1.一种用于电液伺服控制系统的状态参数获取装置，用于驱动液压执行单元工作，其特征在于，所述状态参数获取装置包括加速度传感器（12）、位置速度传感器（16）、位置给定控制器（17）、位置控制器（18）、一阶微分控制器（19）、二阶微分控制器（20）、三阶微分控制器（21）、速度控制器（22）、加速度控制器（23）和系统控制器（24）；
所述加速度传感器（12）设置在液压执行单元的质量块（11）上，所述位置速度传感器（16）设置在液压执行单元的非对称液压缸（1）上；所述加速度传感器（12）的输出端与加速度控制器（23）连接；所述位置速度传感器（16）的位移信号输出端与位置控制器（18）连接，速度信号输出端与速度控制器（22）连接；
位置给定控制器（17）的输出端分别与位置控制器（18）、一阶微分控制器（19）、二阶微分控制器（20）、三阶微分控制器（21）和系统控制器（24）连接；一阶微分控制器（19）的输出端分别与速度控制器（22）和系统控制器（24）连接，二阶微分控制器（20）的输出端分别与加速度控制器（23）和系统控制器（24）连接，三阶微分控制器（21）的输出端与系统控制器（24）连接；一阶微分控制器（19）用于将位置给定控制器（17）输出的信号进行一阶微分运算处理后输出到速度控制器（22）和系统控制器（24）；二阶微分控制器（20）用于将位置给定控制器（17）输出的信号进行二阶微分运算处理后输出到加速度控制器（23）和系统控制器（24）；三阶微分控制器（21）用于将位置给定控制器（17）输出的信号进行三阶微分运算处理后输出到系统控制器（24）；
位置控制器（18）、速度控制器（22）和加速度控制器（23）的输出端与系统控制器（24）连接；位置控制器（18）用于将位置给定控制器（17）输出的信号与位置速度传感器（16）输出的位移信号进行比较运算处理后，将位置偏差信号发送到系统控制器（24）；速度控制器（22）用于将一阶微分控制器（19）输出的信号与位置速度传感器（16）输出的速度信号进行比较运算处理后，将速度偏差信号输送到系统控制器（24）；加速度控制器（23）用于将二阶微分控制器（20）输出的信号与加速度传感器（12）输出的信号进行比较运算处理后将加速度偏差信号输送到系统控制器（24）；系统控制器（24）将位置给定控制器（17）、位置控制器（18）、一阶微分控制器（19）、二阶微分控制器（20）、三阶微分控制器（21）、速度控制器（22）和加速度控制器（23）传输的数据进行运算处理后输出控制信号，经D/A转换器（25）转换和比例放大器（26）放大后驱动比例伺服阀（2）。
2.根据权利要求1所述的一种用于电液伺服控制系统的状态参数获取装置，其特征在于，还包括第一A/D转换器（13）、第二A/D转换器（14）和第三A/D转换器（15），所述加速度传感器（12）输出的加速度信号经第一A/D转换器（13）转换后输出到加速度控制器（23），所述位置速度传感器（16）输出的位移信号经第二A/D转换器（14）转换后输出到位置控制器（18），位置速度传感器（16）输出的速度信号经第三A/D转换器（15）转换后输出到速度控制器（22）。
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