CN116400584A - 大载荷电液位置伺服系统快速精确控制系统及应用方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种大载荷电液位置伺服系统快速精确控制系统及应用方法，属于风洞试验中的电液伺服控制领域，包括相互配合的目标位移补偿模块、位移指令和速度指令发生模块、速度前馈控制模块、位移变增益PID反馈控制模块、位移滤波模块。本发明提供的大载荷电液位置伺服系统快速精确控制系统及应用方法，其各部分内容的设计，不依赖系统的的数学模型，且均可用简单的算法来实现，便于工程应用。

Description

大载荷电液位置伺服系统快速精确控制系统及应用方法

技术领域

本发明涉及风洞试验中的电液伺服控制领域。更具体地说，本发明适用于电液伺服系统油缸位置控制，为提高大载荷电液位置伺服系统位置控制的精确性和快速性而提供的一种大载荷电液位置伺服系统快速精确控制系统及应用。

背景技术

在电液伺服系统因为具有输出功率大、控制精度高等优点，目前广泛应用于工业生产各个领域。电液位置伺服系统其液压执行机构的运行过程分为：加速阶段、匀速阶段和减速阶段。小载荷电液伺服系统由于载荷和惯性较小，液压执行机构的响应速度很快，加速和减速过程迅速，实现快速精确定位控制相对容易。而对于大载荷电液位置伺服系统，液压执行机构的响应速度慢，加速和减速过程也相对缓慢，其控制的难点主要在于减速过程，具体表现为：如果控制参数设置过小，则减速过程缓慢，最终定位的时间过长；如果控制参数设置过大，容易造成机构位置超调，甚至引起系统振荡。

目前，对于电液伺服系统控制方法研究的文献和专利较多，主流控制方法为PID控制及其改进的PID控制，少数先进控制算法如自适应控制、神经网络控制、预测控制等控制方法因算法复杂或者严重依赖系统数学模型等原因难以进行工程运用，而适用于大载荷、高速、高精度应用场合的实用控制算法就更少了。因而，针对大载荷电液位置伺服系统的快速精确控制问题，需要提供一种新的方法。

发明内容

本发明的一个目的是解决至少上述问题和/或缺陷，并提供至少后面将说明的优点。

为了实现本发明的这些目的和其它优点，提供了一种大载荷电液位置伺服系统快速精确控制系统，包括相互配合的目标位移补偿模块、位移指令和速度指令发生模块、速度前馈控制模块、位移变增益PID反馈控制模块、位移滤波模块。

进一步，提供一种大载荷电液位置伺服系统快速精确控制系统的应用方法，包括：

步骤一、对给定的目标位移s ^*采用目标位移补偿模块进行动态修正，得到对应的目标位移补偿值s _c ^*；

步骤二、将步骤一得到s _c ^*和给定的目标速度v ^*作为位移指令和速度指令发生模块的输入，以获得实时速度指令v _in和实时位移指令s _in，将v _in、s _in分别作为速度前馈控制模块和位移变增益PID反馈控制模块的输入；

步骤三、所述速度前馈控制模块、位移变增益PID反馈控制模块分别对前馈控制系数、PID控制参数进行整定，以得到对应的速度前馈输出μ _fw 、位移PID反馈输出μ _pid ，将μ _fw 、μ _pid 之和作为被控对象的控制输入；

步骤四，将被控对象的反馈位移s _f作为位移滤波模块的输入，所述位移滤波模块对被控对象的反馈位移s _f进行均值处理后，作为目标位移补偿模块、位移变增益PID反馈控制模块的输入参数，完成对被控对象的控制。

优选的是，在步骤一中，所述目标位移补偿模块采用用滞回比较器时，所述s _c ^*的获取公式如下：

s _c ^*=s ^*+δs

其中，目标位移的补偿量δs的获取方式为：

若位移偏差s _e大于0，且s _e大于滞回比较器的第一阈值s _eph，则令目标位移的补偿量δs等于滞回比较器的第一输出参数δs _p；

若位移偏差s _e大于0，且s _e小于滞回比较器的第二阈值s _epl，则令δs等于0；

若位移偏差s _e大于0，且s _e等于s _epl、s _eph或位于s _epl、s _eph之间，则令δs保持不变；

若位移偏差s _e小于0，且s _e小于滞回比较器的第三阈值s _enh，则令目标位移的补偿量δs等于滞回比较器的第一输出参数δs _n；

若位移偏差s _e小于0，且s _e大于滞回比较器的第四阈值s _enl，则令δs等于0；

若位移偏差s _e小于于0，且s _e等于s _enl、s _enh或位于s _enl、s _enh之间，则令δs保持不变；

令δs _n=-δs _p，s _enl=-s _epl，s _enh=-s _eph。

优选的是，基于控制对象的最大出力和运动物体的质量确定运动加速度a ₀，当s _c ^*≤v ^*2/a ₀时，采用以下公式计算加速运动时间t _a、匀速运动时间t _d、减速运动时间t _un：

当s _c ^*＞v ^*2/a ₀，采用以下公式计算t _a、t _d、t _un：

基于t _a、t _d、t _un获得实时加速度曲线，对实时加速曲线积分以获得实时速度指令v _in，对v _in进行积分对获得实时位移指令s _in。

优选的是，所述速度前馈输出μ _fw 通过以下公式得到：

式中，k _v为速度前馈系数。

优选的是，所述位移PID反馈输出μ _pid 通过以下公式得到：

式中，k _p为比例系数，k _i为积分系数，s _ein为位移指令和反馈位移之差，基于s _ein的绝对值，采用下式对k _p、k _i进行动态调整：

优选的是，所述位移滤波模块被配置为采用滑动均值滤波器，且滑动均值滤波器的控制器内设置有按顺序存放N个反馈位移s _f的数据缓冲区，N为滑动均值滤波器的滤波窗口；

其中，每采进一个新的s_f，则将最早采集的s_f丢掉，通过求N个数据的均值得到目标位移补偿模块、位移变增益PID反馈控制模块的输入参数

本发明至少包括以下有益效果：

1、本发明所提及各模块的设计，不依赖系统的数学模型，且均可用简单的算法来实现，便于工程应用。

2、所述目标位移补偿模块动态对目标位移进行修正，一方面可以延长速度前馈控制模块的作用时间，另一方面在相同PID控制器增益的情况下提高PID控制器的输出，使得减速阶段在不影响系统稳定性的情况下液压执行机构能够快速减速。

3、所述位移指令和速度指令发生模块可根据液压执行机构的实际特性设置运动曲线，更加符合液压执行机构实际物理运动规律。

4、所述速度前馈控制模块主要在匀速阶段起作用，可以提高液压执行机构对位移指令和速度指令的跟踪能力。

5、所述位移变增益PID反馈控制模块，通过动态改变PID控制器的增益，一定程度上可以减小大载荷电液位置伺服系统的超调，实现精确平稳定位。

6、所述位移滤波模块，可以在某些干扰较大的场合滤除信号噪声，使得液压机构运行更加平稳。

7、综合本发明的所有功能，本发明通过位置闭环控制，能够实现大载荷电液位置伺服系统快速精确定位控制。

本发明的其它优点、目标和特征将部分通过下面的说明体现，部分还将通过对本发明的研究和实践而为本领域的技术人员所理解。

附图说明

图1 为本发明实施例的大载荷电液位置伺服系统快速精确控制方法的流程框图；

图2 为本发明实施例的滞回比较器的原理示意图；

图3为本发明位移指令和速度指令发生模块的原理示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步的详细说明，以令本领域技术人员参照说明书文字能够据以实施。

一种大载荷电液位置伺服系统快速精确控制系统，包括相互配合的目标位移补偿模块、位移指令和速度指令发生模块、速度前馈控制模块、位移变增益PID反馈控制模块、位移滤波模块。

本发明提供一种大载荷电液位置伺服系统快速精确的控制方法，其流程处理如图1所示，其原理如下：

通过建立所述目标位移补偿模块，对给定的目标位移进行动态修正。

通过建立所述位移指令和速度指令发生模块，模拟液压执行机构的加速阶段、匀速阶段和减速阶段，根据目标位移和目标速度，为其设置合理的位移和速度指令位移滤波模块。位移指令和速度指令发生模块的输出分别用于速度前馈控制模块和位移变增益PID反馈控制模块的输入。

通过建立所述速度前馈控制模块，对前馈控制系数进行整定。速度前馈控制模块主要在匀速阶段起作用，用来提高匀速阶段液压执行机构对位移指令和速度指令的跟踪能力。

通过建立所述位移变增益PID反馈控制模块，对PID控制参数进行整定。位移变增益PID反馈控制模块用来消除大载荷电液位置伺服系统位移残差。通过动态改变PID控制器的增益，一定程度上可以减小大载荷电液位置伺服系统的超调。其中，所述速度前馈控制模块和位移变增益PID反馈控制模块的输出之和用作于伺服阀的控制输入。

通过建立所述的位移滤波模块，对液压执行机构的反馈位移进行滤波处理。位移滤波模块的输出用作于位移变增益PID反馈控制模块的输入。

实施例：

1、建立目标位移补偿模块，所述的目标位移补偿模块可以用滞回比较器来实现，其原理如图2所示。下面给出目标位移补偿模块参考伪代码：

如果s _e≥0，则有

{

如果s _e>s _eph，则δs=δs _p；

如果s _e<s _epl ，则δs=0；

如果s _epl≤s _e≤s _eph，则δs保持不变；

}

如果s _e<0，则有

{

如果s _e<s _enh，则δs=δs _n；

如果s _e>s _enl ，则δs=0；

如果s _enl≤s _e≤s _enh，则δs保持不变；

}

s _c ^*=s ^*+δs。

其中：s _e为位移偏差，s _e=s ^*-s _f，s ^*为目标位移，s _f为反馈位移；

δs为滞回比较器的输出，也即目标位移的补偿量；

s _c ^*为修正后的目标位移；

s _enh 、s _enl 、s _epl 、s _eph为滞回比较器的阈值。

δs _p、δs _n为滞回比较器的输出参数。

从上文描述来看，目标位移补偿模块有六个参数需要整定，为了减少参数整定的工作量，可以令

δs _n=-δs _p，s _enl=-s _epl，s _enh=-s _eph，这样需要整定的参数减少为三个，将目标位移补偿模块的输出作为位移指令和速度指令发生模块的输入。

2、建立所述位移指令和速度指令发生模块，其原理如图3所示。液压执行机构加速和减速曲线有很多种，可以选用匀加速和匀减速过程，即加速和减速过程中加速度值恒定，并且可以令加速时间和减速时间相等。根据液压执行机构的最大出力和运动物体的质量，在考虑安全裕量的前提下，确定一个合适的运动加速度a ₀。然后根据目标位移补偿值s _c ^*、目标速度v ^*计算加速运动时间t _a、匀速运动时间t _d、减速运动时间t _un其计算方法描述如下：

如果s _c ^*≤v ^*2/a ₀：

如果s _c ^*＞v ^*2/a ₀：

得到加速、匀速、减速三个过程持续的时间后，即可获得实时加速度曲线，对加速曲线积分可获得实时速度指令v _in，对v _in积分可获得实时位移指令s _in，将实时速度指令v _in和实时位移指令s _in分别作为速度前馈控制模块和位移变增益PID反馈控制模块的输入。

3、建立所述速度前馈控制模块。速度前馈控制模块输出可以用下式表示：

其中：k _v为速度前馈系数，从图3中速度指令曲线可以看出，在加速阶段的初期和减速阶段的末期，速度前馈控制输出较弱，其主要作用范围在匀速运行阶段。

4、建立所述位移变增益PID反馈控制模块。可以仅采用PI控制器，其输出可以用下式表示：

其中，k _p为比例系数，k _i为积分系数，s _ein=s _in-s _f为位移指令和反馈位移之差。变增益PI控制器中的控制参数k _p和k _i可动态调整。一种简单的变增益方法为：可以根据s _ein的绝对值大小，在其不同范围，采用不同的PI控制器参数。具体表示如下：

通常，可以将s _ein的绝对值分为3至4段，k _p和k _i调整原则为：s _ein的绝对值越大，则k _p和k _i的值越小，将速度前馈输出μ _fw 、位移PID反馈输出μ _pid 之和作为被控对象的控制输入，控制相应机构做对应操作。

5、建立所述的位移滤波模块。滤波器优选滑动均值滤波器。具体实现方法为：在控制器内存里建立一个数据缓冲区，按顺序存放N个反馈位移数据。每采进一个新数据，则将最早采集的那个数据丢掉，而后求这最新的N个数据的均值。上述N为滑动均值滤波器的滤波窗口，N取值越大则滤波效果越好，但是会造成位移反馈较大的滞后，将被控对象的反馈位移s _f作为位移滤波模块的输入，所述位移滤波模块对被控对象的反馈位移进行均值处理后，作为目标位移补偿模块、位移变增益PID反馈控制模块的输入参数，完成对被控对象的控制。

以上方案只是一种较佳实例的说明，但并不局限于此。在实施本发明时，可以根据使用者需求进行适当的替换和/或修改。

这里说明的设备数量和处理规模是用来简化本发明的说明的。对本发明的应用、修改和变化对本领域的技术人员来说是显而易见的。

尽管本发明的实施方案已公开如上，但其并不仅仅限于说明书和实施方式中所列运用。它完全可以被适用于各种适合本发明的领域。对于熟悉本领域的人员而言，可容易地实现另外的修改。因此在不背离权利要求及等同范围所限定的一般概念下，本发明并不限于特定的细节和这里示出与描述的图例。

Claims (7)

1.一种大载荷电液位置伺服系统快速精确控制系统，其特征在于，包括相互配合的目标位移补偿模块、位移指令和速度指令发生模块、速度前馈控制模块、位移变增益PID反馈控制模块、位移滤波模块。

2.一种如权利要求1所述大载荷电液位置伺服系统快速精确控制系统的应用方法，其特征在于，包括：

步骤一、对给定的目标位移s ^*采用目标位移补偿模块进行动态修正，得到对应的目标位移补偿值s _c ^*；

步骤二、将步骤一得到的s _c ^*和给定的目标速度v ^*作为位移指令和速度指令发生模块的输入，以获得实时速度指令v _in和实时位移指令s _in，将v _in、s _in分别作为速度前馈控制模块和位移变增益PID反馈控制模块的输入；

步骤三、所述速度前馈控制模块、位移变增益PID反馈控制模块分别对前馈控制系数、PID控制参数进行整定，以得到对应的速度前馈输出μ _fw 、位移PID反馈输出μ _pid ，将μ _fw 、μ _pid 之和作为被控对象的控制输入；

步骤四，将被控对象的反馈位移s _f作为位移滤波模块的输入，所述位移滤波模块对被控对象的反馈位移s _f进行滤波处理后，作为目标位移补偿模块、位移变增益PID反馈控制模块的输入参数，完成对被控对象的控制。

3.如权利要求2所述的大载荷电液位置伺服系统快速精确控制系统的应用方法，其特征在于，在步骤一中，所述目标位移补偿模块采用用滞回比较器时，所述目标位移补偿值s _c ^*的获取公式如下：

s _c ^*= s ^*+δs

其中，目标位移的补偿量δs的获取方式为：

若位移偏差s _e大于0，且s _e大于滞回比较器的第一阈值s _eph，则令目标位移的补偿量δs等于滞回比较器的第一输出参数δs _p；

若位移偏差s _e大于0，且s _e小于滞回比较器的第二阈值s _epl，则令δs等于0；

若位移偏差s _e大于0，且s _e等于s _epl、s _eph或位于s _epl、s _eph之间，则令δs保持不变；

若位移偏差s _e 小于0，且s _e小于滞回比较器的第三阈值s _enh，则令目标位移的补偿量δs等于滞回比较器的第一输出参数δs _p；

若位移偏差s _e小于0，且s _e大于滞回比较器的第四阈值s _enl，则令δs等于0；

若位移偏差s _e 小于0，且s _e等于s _enl、s _enh或位于s _enl、s _enh之间，则令δs保持不变；

令δs _n=-δs _p，s _enl =-s _epl，s _enh =-s _eph。

4.如权利要求2所述的大载荷电液位置伺服系统快速精确控制系统的应用方法，其特征在于，基于控制对象的最大出力和运动物体的质量确定运动加速度a ₀，当s _c ^*≤v ^*2/ a ₀时，采用以下公式计算加速运动时间t _a、匀速运动时间t _d、减速运动时间t _un：

当s _c ^*＞v ^*2/ a ₀，采用以下公式计算t _a、t _d、t _un：

基于 t _a、t _d、t _un获得实时加速度曲线，对实时加速曲线积分以获得实时速度指令v _in，对v _in进行积分对获得实时位移指令s _in。

5.如权利要求2所述的大载荷电液位置伺服系统快速精确控制系统的应用方法，其特征在于，所述速度前馈输出μ _fw 通过以下公式得到：

式中，k _v为速度前馈系数。

6.如权利要求2所述的大载荷电液位置伺服系统快速精确控制系统的应用方法，其特征在于，所述位移PID反馈输出μ _pid 通过以下公式得到：

式中，k _p为比例系数，k _i为积分系数，s _ein为位移指令和反馈位移之差，基于s _ein的绝对值，采用下式对k _p、k _i进行动态调整：

。

7.如权利要求2所述的大载荷电液位置伺服系统快速精确控制系统的应用方法，其特征在于，所述位移滤波模块被配置为采用滑动均值滤波器，且滑动均值滤波器的控制器内设置有按顺序存放N个反馈位移s _f的数据缓冲区，N为滑动均值滤波器的滤波窗口；

其中，每采进一个新的s _f，则将最早采集的s _f丢掉，通过求N个数据的均值得到目标位移补偿模块、位移变增益PID反馈控制模块的输入参数。

Images