CN109508051B - 基于对称气缸的动态负压伺服控制系统与方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了基于对称气缸的动态负压伺服控制系统与方法，属于高空飞行器气压模拟领域，系统包括机电传动模块、气动模块、控制模块以及数据采集模块。其中，机电传动模块采用电机直驱方式，将伺服电机与滚珠丝杆直连，气动模块中以对称负压气缸作为压力发生器，控制模块用于控制切换不同的压力输入信号和压力开环控制器，数据采集模块通过压力传感器、位移传感器采集负压气缸被控腔压力和缸活塞位移并传输到工控机。本发明还公开了一种基于对称气缸的动态负压伺服控制方法。本发明方法可能够实现快速、准确地动态负压伺服控制，同时装置具有结构简单、易于实现的优点，尤其适用于空间飞行器气压模拟设备。

Description

基于对称气缸的动态负压伺服控制系统与方法

技术领域

本发明属于高空飞行器气压模拟领域，具体涉及一种基于对称气缸的动态负压伺服控制系统与方法。

背景技术

在空间飞行器研制过程中，通过半实物仿真技术修改控制器设计、校验控制器性能，可以有效缩短研制周期、降低研制成本并提高新产品的可靠性。采用气压伺服控制技术的气压模拟设备，根据空间飞行器在飞行过程中的飞行高度和空速信号对应的气压高度和速度指令，提供相应的静压和总压信号。随着飞行器技术的快速发展，飞行高度不断提高；空间飞行器飞行过程中，与飞行高度对应的环境大气压力为低于标准大气压的负压值。

上述两个要求使得研制能够产生低负压、响应快的气压模拟设备成为一种需求。

气压控制方法可按容腔容积是否发生变化分为定容积控制和变容积控制，定容积控制方法通过对密闭容腔的充抽气即改变容腔内气体质量来实现压力的变化，多采用密闭容腔，常见的有方形密闭容腔。气动元件的最小通流面积以及充抽气的控制能力是制约定容积控制方法的关键问题。定容积控制方法容腔密封性好，易于实现连续控制，但需要单独提供正、负压力源。在极低负压下，定容积控制存在伺服阀泄漏、负压泵抽气能力不足以及管路动态特性等问题，且需要配备独立的负压和伺服阀。

变容积控制方法的压力变化是靠气缸的活塞(或膜片)的移动来实现的，已知的有采用单出杆气缸、双出杆气缸、无杆气缸和薄膜式气缸等四种结构。制约定容积控制方法的因素在于容积变化能力以及变化速度。该方法的优点是不需要提供气源，且在小范围表压力和低真空时具有良好的控制精度。其缺点在于压力大时灵敏度过高，导致难以实现稳定控制和密封，且此种方式只能够实现固定压力点控制。

发明内容

针对现有技术存在的以上缺陷和改进需求，本发明提供了一种基于对称气缸的动态负压伺服控制系统与方法，其中，结合负压气缸采用伺服电机直接驱动方式具有控制对称性好、定位精度高的特点，相应设计了基于对称气缸的动态负压伺服控制系统与方法，并通过对跟踪方法的工序以及各部件的具体结构、布置方式进行设计，相应可有效解决现有定容积控制方式极低负压下存在泄漏、负压源抽气能力下降以及管路动态特性的问题，能够灵敏、精确地实现动态的负压伺服控制，同时，装置具有结构简单、易于实现的优点，尤其适用于空间飞行器气压模拟设备。

为实现上述目的，按照本发明的一个方面，提供了一种基于对称气缸的动态负压伺服控制系统，包括机电传动模块、气动模块、控制模块以及数据采集模块，其中，

所述机电传动模块包括伺服电机和磨制滚珠丝杆，伺服电机经驱动后通过磨制滚珠丝杆将运动传递到对称负压气缸，

所述气动模块包括对称负压气缸、截止阀I、截止阀II、伺服阀、正压源以及负压源，所述气动模块的执行元件为双出杆形式的对称负压气缸，气缸运动部件采用的是电机直驱方式，通过磨制滚珠丝杆实现和伺服电机直连，在初始工作压力控制模式下，气缸两腔保持连通，具体的，负压气缸的被控腔通过截止阀I连通伺服阀，负压气缸的非被控腔通过截止阀II连通伺服阀，伺服阀同时连通正压源和负压源，

所述数据采集模块包括位移传感器、压力传感器以及多通道的数据采集卡，数据采集卡连接位移传感器和压力传感器以采集位移和压力信号，数据采集卡将采集到的压力和位移信号传输给控制模块，

所述控制模块包括位移控制器、压力开环控制器I和压力开环控制器II，控制模块设置有初始工作压力控制模式与指令压力信号控制模式，

工作时，当系统处于初始工作压力控制模式时，伺服电机停转，截止阀I、截止阀II打开，所述负压气缸通过伺服阀和正、负压源相连，所述负压气缸与所述控制模块之间连接数据采集模块中的压力传感器，系统输入为初始工作压力，选用压力开环控制器I，通过改变所述伺服阀的输入电压信号来调节所述负压气缸被控腔的气体压力并使两腔压力一致；

当系统处于指令压力信号控制模式时，伺服电机处于工作状态，截止阀I、截止阀II均关闭，负压气缸与正、负压源断开，系统输入为指令压力信号，位移传感器和压力传感器工作，系统输入为指令压力信号，选用压力开环控制器II和位移控制器，通过伺服电机驱动所述负压气缸运动部件做往复运动，改变所述负压气缸被控腔的容积，从而实现压力调节。

进一步的，所述位移传感器为高精度位移传感器，线性度为全量程的万分之五。

进一步的，所述压力传感器为高精度压力传感器，线性度为全量程的万分之五。

按照本发明的第二个方面，还提供一种如上所述的基于对称气缸的动态负压伺服控制系统的工作方法，首先，给负压气缸的被控腔和非被控腔相同的初始压力，具体包括如下步骤S1-步骤S4，

S1：打开截止阀I、截止阀II，通过伺服阀连通正、负压源，

S2：压力传感器获取负压气缸被控腔的实时压力信号，并将上述实时压力信号与指令压力信号进行比较并计算差值；

S3：将差值输入给压力开环控制器I，根据该差值压力开环控制器I得到压力控制信号，差值达到设定值，负压气缸的被控腔和非被控腔压力响应满足要求；

S4：关闭截止阀I、截止阀II；

接着，实现控制负压气缸被控腔的压力相应满足设定要求，具体包括如下步骤：

S5：压力传感器获取负压气缸被控腔的实时压力信号，并将上述实时压力信号与指令压力信号进行比较并计算差值；

S6：压力开环控制器II根据上述计算差值得到压力控制信号，根据该压力控制信号形成指令位移信号；

S7：所述位移传感器获取负压气缸运动部件的实时位移信号，并将上述实时位移信号与指令位移信号进行比较并计算差值；

S8：位移控制器根据上述计算差值得到位置控制信号，将该位置控制信号输出给伺服电机，形成伺服电机控制信号，实现负压气缸运动部件的控制。

进一步的，步骤S5之前，位置闭环输入阶跃信号作为指令位移信号，预置位移控制器，重复步骤S6-S8，直到实时位移信号满足要求。

进一步的，步骤S1-S3为初始压力信号控制模式，其中，步骤S3中压力控制信号作为伺服阀控制信号，若压力控制信号大于0，伺服阀处于保证负压气缸和负压源连通的工作位，若压力信号小于0，伺服阀处于保证负压气缸和正压源连通的工作位。

进一步的，步骤S5-S8为指令压力信号控制模式，步骤S5-S8实现压力-位置双闭环控制，其中，步骤S6中压力闭环的压力控制信号作为S8中位置闭环的指令位移信号。

进一步的，电机采用正反转控制模式，在步骤S8中，若上述压力开环控制器II输出的控制信号值大于零，在伺服电机正转指令控制通道输入电机控制信号，电机正转；若上述压力开环控制器II输出的控制信号值小于零，在伺服电机反转指令控制通道输入电机控制信号，电机反转。

总体而言，本发明的技术方案与现有技术相比，具有以下优点和有益效果：

1、本发明的基于对称气缸的动态负压伺服控制系统与方法，主要依靠伺服电机实现伺服控制。系统通过伺服电机直驱的方式来补偿负压气缸被控腔容积收缩、扩张时压力变化的非对称性，同时通过伺服电机和磨制滚珠丝杆直连驱动可实现高定位精度。负压气缸采用完全对称结构，使负压气缸被控腔和非被控腔结构完全一致，提高了系统响应的平稳性。

2、本发明的控制模块中，包含初始压力信号控制模式和指令压力信号控制模式。通过选择不同的输入压力信号以及接入系统的压力开环控制器可切换上述两种控制模式。初始压力信号控制模式为指令压力信号控制模式提供了负压气缸两腔初始工作压力条件，并使得气缸活塞位于气缸中间位置，结合上述的负压气缸对称结构，使得开环系统中，当气缸活塞处于以气缸中间位置为中心相互对称的位置时，所需伺服电机驱动力相等，增强了系统开环控制的对称性。通过伺服电机对气缸活塞位置进行调节，相对于直接通过活塞压缩气体而言，系统做功减少。

3、本发明控制模块采用指令压力信号控制模式，采用的是压力-位置双闭环控制，不同于现有定容积压力控制中压力单自由度，系统对压力、位置两个物理量进行控制，增加了系统控制的自由度，且具有控制器结构简单、实现方便以及可靠性高的优点。

4、本发明仅在初始压力信号控制模式下，依靠伺服阀、气压源的作用调节负压气缸被控腔压力，当系统控制切换到指令压力信号控制模式，系统转为变容积控制，此时不需要接入伺服阀和气压源，可从系统直接移除，即在连续压力控制时不需配备独立的伺服阀、气压源，解决了定容积控制方法在极低负压下伺服阀泄漏加剧、负压源抽气能力不足以及连接管路存在动态特性的问题。

附图说明

图1是本发明的基于对称气缸的动态负压伺服控制系统的原理图；

图2是本发明的基于对称气缸的动态负压伺服控制系统的压力-位置双闭环控制原理图。

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详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。

本发明中，涉及一种基于对称气缸的动态负压伺服控制系统以及方法，系统包括机电传动模块、气动模块、控制模块以及数据采集模块。其中，机电传动模块采用电机直驱方式，将伺服电机与磨制滚珠丝杆直连，气动模块中以对称负压气缸作为压力发生器，控制模块用于控制切换不同的压力输入信号和压力开环控制器，数据采集模块通过高精度压力传感器、高精度位移传感器采集负压气缸被控腔压力和缸活塞位移并传输到工控机。

本发明还公开了通过一种基于对称气缸的动态负压伺服控制方法。本发明以对称负压气缸的一个空腔作为被控对象，通过切换不同的压力开环控制器和压力输入信号，通过压力-位置双闭环控制和调节该被控腔压力。采用电机直驱方式，相应的可避免直接通过活塞压缩气体做功多的问题，能够实现快速、准确地动态负压伺服控制，同时具有结构简单、易于实现的优点，尤其适用于空间飞行器气压模拟设备。

图1是本发明的基于对称气缸的动态负压伺服控制系统的原理图，如图1所示，一种基于对称气缸的动态负压伺服控制系统，包括机电传动模块、气动模块、控制模块以及数据采集模块。

其中，所述机电传动模块主要包括伺服电机、磨制滚珠丝杆，伺服电机通过专用的驱动器驱动，通过精度高的磨制滚珠丝杆将运动传递到负压气缸的被控腔。

所述气动模块的执行元件采用双出杆对称负压气缸，气缸运动部件采用电机直驱方式，通过磨制滚珠丝杆实现和伺服电机直连。在初始工作压力控制模式下，气缸两腔保持连通，并通过一个伺服阀与气源连接。具体的，负压气缸的被控腔通过截止阀I连通伺服阀，负压气缸的非被控腔通过截止阀II连通伺服阀，伺服阀分别连通正压源和负压源。

所述控制模块包括压力开环控制器和位置开环控制器，按控制物理量划分，该控制模块分为压力控制部分和位置控制部分。

具体地，在压力控制部分，被控腔与压力开环控制器I、压力开环控制器II之间设置有高精度压力传感器，将所述高精度压力传感器采集的实际压力信号和系统输入的指令压力信号做差的结果作为压力开环控制器I或压力开环控制器II的输入，输出作为伺服阀或压力控制部分的控制信号。

在位置控制部分，对称负压气缸运动部件与位置开环控制器之间设置有高精度位移传感器，将所述高精度位移传感器采集的实际位移信号和系统输入的指令位移信号做差结果作为位置开环控制器的输入，位置开环控制器的输出作为伺服电机的控制信号。

所述数据采集模块包括高精度位移传感器、工控机以及高分辨率、多通道的数据采集卡。

为实现基于负压气缸的动态压力伺服控制方法，实际过程中包含以下步骤：

S1所述截止阀I、截止阀II打开；

S2所述高精度压力传感器获取负压气缸被控腔的实时压力信号，并将上述实时压力信号与指令压力信号进行比较并计算差值；

S3所述压力开环控制器I将实时压力信号与指令压力信号进行比较并计算差值，根据该差值得到压力控制信号，直到压力响应信号满足要求；

S4所述截止阀I、截止阀II关闭；

S5所述高精度压力传感器获取负压气缸被控腔的实时压力信号，并将上述实时压力信号与指令压力信号进行比较并计算差值；

S6所述压力开环控制器II根据上述计算差值得到压力控制信号，即指令位移信号；

S7所述高精度位移传感器获取负压气缸运动部件的实时位移信号，并将上述实时位移信号与指令位移信号进行比较并计算差值；

S8所述位置开环控制器根据上述计算差值得到位置控制信号，即电机控制信号。

在步骤S5之前，位置闭环输入阶跃信号作为指令位移信号，预置位置开环控制器，重复步骤S6-S8，直到实时位移信号满足要求。

步骤S1-S3为初始压力信号控制模式的实现方案，其中，步骤S3中压力控制信号作为伺服阀控制信号，若压力控制信号大于0，伺服阀处于使负压气缸和负压源连通的工作位，若压力控制信号小于0，伺服阀处于保证负压气缸和正压源连通的工作位。步骤S4-S8为指令压力信号控制模式的实现方案，步骤S4-S8即采用压力-位置双闭环控制方法，其中，步骤S6中压力闭环的压力控制信号作为S8中位置闭环的指令位移信号。

图2是本发明的基于对称气缸的动态负压伺服控制系统的压力-位置双闭环控制原理图，由图可知，伺服电机采用位置控制模式，负压气缸采用压力控制模式。如图2所示，在步骤S5之前，需在控制模块中将位置开环控制器的输入信号切换至阶跃信号，调整位置开环控制器，重复步骤S6-S8，当实时位移信号满足控制要求时，将位置开环控制器的输入信号切换至压力开环控制器II的输出信号，进行压力开环控制器II的调整。上述过程完成了系统压力-位置双闭环控制的控制器调整环节，确保负压气缸被控腔压力的快速、准确响应。

本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种基于对称气缸的动态负压伺服控制系统，其特征在于，包括机电传动模块、气动模块、控制模块以及数据采集模块，其中，

所述机电传动模块包括伺服电机和磨制滚珠丝杆，伺服电机经驱动后通过磨制滚珠丝杆将运动传递到对称负压气缸，

所述气动模块包括对称负压气缸、截止阀I、截止阀II、伺服阀、正压源以及负压源，所述气动模块的执行元件为双出杆形式的对称负压气缸，气缸运动部件采用的是电机直驱方式，通过磨制滚珠丝杆实现和伺服电机直连，在初始工作压力控制模式下，气缸两腔保持连通，具体的，负压气缸的被控腔通过截止阀I连通伺服阀，负压气缸的非被控腔通过截止阀II连通伺服阀，伺服阀同时连通正压源和负压源，

所述数据采集模块包括位移传感器、压力传感器以及多通道的数据采集卡，数据采集卡连接位移传感器和压力传感器以采集位移和压力信号，数据采集卡将采集到的压力和位移信号传输给控制模块，

所述控制模块包括位移控制器、压力开环控制器I和压力开环控制器II，控制模块设置有初始工作压力控制模式与指令压力信号控制模式，

工作时，当系统处于初始工作压力控制模式时，伺服电机停转，截止阀I、截止阀II打开，所述负压气缸通过伺服阀和正、负压源相连，所述负压气缸与所述控制模块之间连接数据采集模块中的压力传感器，系统输入为初始工作压力，选用压力开环控制器I，通过改变所述伺服阀的输入电压信号来调节所述负压气缸被控腔的气体压力并使两腔压力一致；

当系统处于指令压力信号控制模式时，伺服电机处于工作状态，截止阀I、截止阀II均关闭，负压气缸与正、负压源断开，系统输入为指令压力信号，位移传感器和压力传感器工作，系统输入为指令压力信号，选用压力开环控制器II和位移控制器，通过伺服电机驱动所述负压气缸运动部件做往复运动，改变所述负压气缸被控腔的容积，从而实现压力调节。

2.如权利要求1所述的基于对称气缸的动态负压伺服控制系统，其特征在于，所述位移传感器为高精度位移传感器，线性度为全量程的万分之五。

3.如权利要求1所述的基于对称气缸的动态负压伺服控制系统，其特征在于，所述压力传感器为高精度压力传感器，线性度为全量程的万分之五。

4.一种基于对称气缸的动态负压伺服控制方法，其特征在于，所述方法由权利要求1-3任意一项所述的基于对称气缸的动态负压伺服控制系统执行，

首先，给负压气缸的被控腔和非被控腔相同的初始压力，具体包括步骤S1至步骤S4，

S1：打开截止阀I、截止阀II，通过伺服阀连通正、负压源，

S2：压力传感器获取负压气缸被控腔的实时压力信号，并将上述实时压力信号与指令压力信号进行比较并计算差值；

S3：将差值输入给压力开环控制器I，根据该差值压力开环控制器I得到压力控制信号，差值达到设定值，负压气缸的被控腔和非被控腔压力响应满足要求；

S4：关闭截止阀I、截止阀II；

接着，实现控制负压气缸被控腔的压力相应满足设定要求，具体包括如下步骤：

S5：压力传感器获取负压气缸被控腔的实时压力信号，并将上述实时压力信号与指令压力信号进行比较并计算差值；

S6：压力开环控制器II根据上述计算差值得到压力控制信号，根据该压力控制信号形成指令位移信号；

S7：所述位移传感器获取负压气缸运动部件的实时位移信号，并将上述实时位移信号与指令位移信号进行比较并计算差值；

S8：位移控制器根据上述计算差值得到位置控制信号，将该位置控制信号输出给伺服电机，形成伺服电机控制信号，实现负压气缸运动部件的控制。

5.如权利要求4所述的基于对称气缸的动态负压伺服控制方法，其特征在于，步骤S5之前，位置闭环输入阶跃信号作为指令位移信号，预置位移控制器，重复步骤S6-S8，直到实时位移信号满足要求。

6.如权利要求5所述的基于对称气缸的动态负压伺服控制方法，其特征在于，步骤S1-S3为初始压力信号控制模式，其中，步骤S3中压力控制信号作为伺服阀控制信号，若压力控制信号大于0，伺服阀处于保证负压气缸和负压源连通的工作位，若压力信号小于0，伺服阀处于保证负压气缸和正压源连通的工作位。

7.如权利要求6所述的基于对称气缸的动态负压伺服控制方法，其特征在于，步骤S5-S8为指令压力信号控制模式，步骤S5-S8实现压力-位置双闭环控制，其中，步骤S6中压力闭环的压力控制信号作为S8中位置闭环的指令位移信号。

8.如权利要求7所述的基于对称气缸的动态负压伺服控制方法，其特征在于，电机采用正反转控制模式，在步骤S8中，若上述压力开环控制器II输出的控制信号值大于零，在伺服电机正转指令控制通道输入电机控制信号，电机正转；若上述压力开环控制器II输出的控制信号值小于零，在伺服电机反转指令控制通道输入电机控制信号，电机反转。

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