CN1916787A - 一种用于汽车道路模拟的电液伺服控制系统及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种用于汽车道路模拟的电液伺服控制系统及方法,其中工控计算机的输入端与位移传感器的输出端相连,工控计算机的输出与比例-积分-微分电路的输入端相连,位移传感器的输出端与比例-积分-微分电路的另一个输入端相连,比例-积分-微分电路的输出端与伺服阀驱动器的输入端相连,伺服阀驱动器的输出端与伺服阀的输入端相连,伺服阀的输出端与作动器的输入端相连,作动器的输出端与位移传感器的输入端相连。采用工控计算机为主控制器、PID电路为副控制器的双环串联的控制方式,既弥补了现有伺服系统硬件控制器控制精度不高的缺陷,又克服了计算机实时性不强的特性,控制效果显著、开发周期短、成本低、系统可升级性强、维护方便。
Description
技术领域
本发明涉及一种用于汽车道路模拟的电液伺服控制系统及方法。
背景技术
主要采用单片机或数字信号处理器(Digital Signal Processors,DSP)实现的电液伺服控制系统,控制精度要求比较高时,控制算法往往比较复杂,用底层语言开发的过程复杂且成本高、开发周期长、系统升级较难;而主要采用软件实现的电液伺服控制系统,由于WINDOWS是非实时操作系统,在解决实时控制问题上显得力不从心。
发明内容
本发明的目的就是为了解决以上问题,提供一种用于汽车道路模拟的电液伺服控制系统及方法。
为实现上述目的,本发明提出一种用于汽车道路模拟的电液伺服控制系统,包括工控计算机、比例-积分-微分电路、伺服阀驱动器、伺服阀、作动器和位移传感器,工控计算机的输入端与位移传感器的输出端相连,工控计算机的输出与比例-积分-微分电路的输入端相连,工控计算机根据期望的路谱信号和采集的上一时刻的位移信号输出控制指令,位移传感器的输出端与比例-积分-微分电路的另一个输入端相连,比例-积分-微分电路的输出端与伺服阀驱动器的输入端相连,比例-积分-微分电路根据控制指令和采集的位移信号输出校正信号,伺服阀驱动器的输出端与伺服阀的输入端相连,伺服阀驱动器放大校正信号生成电流信号作用于伺服阀,伺服阀的输出端与作动器的输入端相连,伺服阀调节液压流量推动作动器运动,作动器的输出端与位移传感器的输入端相连,位移传感器根据作动器的运动位置输出位移信号。
至少还包括第二比例-积分-微分电路、第二伺服阀驱动器、第二伺服阀、第二作动器和第二位移传感器,工控计算机的第二输出端与第二比例-积分-微分电路的输入端相连,工控计算机的第二输入端与第二位移传感器的输出端相连,第二位移传感器的输出端与第二比例-积分-微分电路的另一个输入端相连,第二比例-积分-微分电路的输出端与第二伺服阀驱动器的输入端相连,第二伺服阀驱动器的输出端与第二伺服阀的输入端相连,第二伺服阀的输出端与第二作动器的输入端相连,第二作动器的输出端与第二位移传感器的输入端相连。
还包括最小方差自校正控制器串联在工控计算机和比例-积分-微分电路之间。
所述最小方差自校正控制器包括参数估计器、设计计算器和控制器,参数估计器的输出端与设计计算器的输入端相连,设计计算器的输出端与控制器的输入端相连,参数估计器的两个输入端分别与控制器的输出端、工控计算机的一个输出端相连;控制器的另一个输入端与工控计算机的另一个输出端相连;控制器的输出端与比例-积分-微分电路的输入端相连。
还包括采集卡,所述采集卡包括A/D电路和D/A电路,A/D电路串联在工控计算机的输入与位移传感器的输出之间,D/A电路串联在控制器的输出与比例-积分-微分电路的输入之间。
所述比例-积分-微分电路包括顺次串联的比较器、比例运算电路、积分运算电路和微分运算电路,比较器的两个输入端分别接控制器的输出端、位移传感器的输出端;微分运算电路的输出端与伺服阀驱动器的输入端相连。
一种用于汽车道路模拟的电液伺服控制系统方法,包括如下步骤:A、工控计算机根据当前时刻期望的路谱信号和上一时刻的位移信号产生控制指令传递给比例-积分-微分电路;B、比例-积分-微分电路根据控制指令和位移信号产生校正信号;C、校正信号经过伺服阀驱动器放大生成电流信号作用于伺服阀;D、伺服阀调节液压流量推动作动器运动,同时位移传感器将作动器的位移信号反馈给工控计算机,回到步骤A。
所述步骤A中产生控制指令的方法具体为:最小方差自校正控制器根据期望的路谱信号和位移信号输出控制指令。
所述步骤B中产生校正信号的方法具体为:比例-积分-微分电路中的比较器对控制指令和位移信号进行比较,得到偏差;比例-积分-微分电路中的比例运算电路、积分运算电路和微分运算电路再对该偏差进行比例、积分、微分处理后输出校正信号。
由于采用比例-积分-微分(Proportional-Integral-Derivative,PID)电路、伺服阀驱动器、伺服阀、作动器和位移传感器构成了一个闭环电路,其信号处理仅在硬件电路间进行,无需经过计算机,提高了本发明伺服系统的响应速度,改善了系统的频率特性,保证系统的实时性;工控计算机、PID电路、伺服阀驱动器、伺服阀、作动器和位移传感器也构成了一个闭环电路,其信号处理经过工控计算机,保证了系统的控制精度;本发明采用工控计算机为主控制器、PID电路为副控制器的双环串联的控制方式,既可以弥补现有伺服系统硬件控制器控制精度不高的缺陷,又能够克服了计算机实时性不强的特性,控制效果显著、开发周期短、成本低、系统可升级性强、维护方便。
附图说明
下面通过具体的实施例并结合附图对本发明作进一步详细的描述。
图1是本发明的电路原理示意图。
图2是自校正最小方差的控制原理示意图。
图3是PID电路的电路原理示意图。
图4是本发明的流程图。
具体实施方式
实施例,一种用于汽车道路模拟的电液伺服控制系统,如图1所示,包括工控计算机1、PID电路2、伺服阀驱动器3、伺服阀4、作动器5和位移传感器6。
其中工控计算机1的输入端与位移传感器6的输出端相连,工控计算机1的输出与PID电路2的输入端相连,工控计算机1根据期望的路谱信号和采集的位移信号输出控制指令,位移传感器6的输出端与PID电路2的另一个输入端相连,PID电路2的输出端与伺服阀驱动器3的输入端相连,PID电路2根据控制指令和采集的位移信号输出校正信号,伺服阀驱动器3的输出端与伺服阀4的输入端相连,伺服阀驱动器3放大校正信号生成电流信号作用于伺服阀4,伺服阀4的输出端与作动器5的输入端相连,伺服阀4调节液压流量推动作动器运动,作动器5的输出端与位移传感器6的输入端相连,位移传感器6根据作动器5的运动位置输出位移信号。
应用于汽车四通道轮耦合的道路模拟系统时,还包括第二PID电路、第二伺服阀驱动器、第二伺服阀、第二作动器和第二位移传感器,第三PID电路、第三伺服阀驱动器、第三伺服阀、第三作动器和第三位移传感器,第四PID电路、第四伺服阀驱动器、第四伺服阀、第四作动器和第四位移传感器。
工控计算机1的第二输出端与第二PID电路的输入端相连,工控计算机1的第二输入端与第二位移传感器的输出端相连,第二位移传感器的输出端与第二PID电路的另一个输入端相连,第二PID电路的输出端与第二伺服阀驱动器的输入端相连,第二伺服阀驱动器的输出端与第二伺服阀的输入端相连,第二伺服阀的输出端与第二作动器的输入端相连,第二作动器的输出端与第二位移传感器的输入端相连。
工控计算机1的第三输出端与第三PID电路的输入端相连,工控计算机1的第三输入端与第三位移传感器的输出端相连,第三位移传感器的输出端与第三PID电路的另一个输入端相连,第三PID电路的输出端与第三伺服阀驱动器的输入端相连,第三伺服阀驱动器的输出端与第三伺服阀的输入端相连,第三伺服阀的输出端与第三作动器的输入端相连,第三作动器的输出端与第三位移传感器的输入端相连。
工控计算机1的第四输出端与第四PID电路的输入端相连,工控计算机1的第四输入端与第四位移传感器的输出端相连,第四位移传感器的输出端与第四PID电路的另一个输入端相连,第四PID电路的输出端与第四伺服阀驱动器的输入端相连,第四伺服阀驱动器的输出端与第四伺服阀的输入端相连,第四伺服阀的输出端与第四作动器的输入端相连,第四作动器的输出端与第四位移传感器的输入端相连。
在本实施例中,工控计算机1采用labview图形编程语言完成路谱信号的输入。
如图4所示,单通道伺服系统的工作过程:
A、工控计算机1根据当前时刻期望的路谱信号r(t)和上一时刻的位移信号x(t-1)产生控制指令u(t)传递给PID电路2;
B、PID电路2根据控制指令u(t)和位移信号x(t)产生校正信号v(t);
C、校正信号v(t)经过伺服阀驱动器3放大生成电流信号i(t)作用于伺服阀4;
D、伺服阀4调节液压流量Q(t)推动作动器5运动,同时位移传感器6将作动器5的位移信号x(t)反馈给工控计算机1,工控计算机1再结合下一时刻期望的路谱信号r(t+1),重复A、B、C、D的步骤。
对于汽车四通道轮耦合的道路模拟系统,工控计算机1控制四个通道分别循环执行A、B、C、D四个步骤,使得四个作动器上分别再现汽车在路面垂直方向上各通道的随机路谱信号。
以下对用于汽车道路模拟的电液伺服控制系统的结构进行的说明皆以一个通道为例,其余通道的结构和原理相同:
控制指令与期望的路谱信号、采集的位移信号相关联,本实施例采用最小方差自校正控制器产生控制指令u(t),最小方差自校正控制器7串联在工控计算机1和PID电路2之间。
自校正控制器是自适应控制器的重要类型,其参数估计器利用对象输入输出的测量值所提供的信息,在线地估计对象参数,设计计算器根据选择的设计准则和获得的参数估计值来计算控制器参数,控制器输出控制信号。自校正控制器的设计原则是:假定被控对象模型参数已知,对该模型按某个设计准则来设计控制规律,然后用在线参数估计器所得到的参数估计值来代替假定的参数,从而得到自校正控制律。可以证明,当参数估计值收敛到模型参数的真值时,其控制律也收敛到所期望的规律。本实施例采用的最小方差自校正控制器以实际输出与控制目标输出的误差方差最小为设计准则,以递推最小二乘估计控制器参数。
在本实施例中,如图2所示,最小方差自校正控制器7包括参数估计器71、设计计算器72和控制器73,参数估计器71的输出端与设计计算器72的输入端相连,设计计算器72的输出端与控制器73的输入端相连,参数估计器71的两个输入端分别与控制器73的输出端、工控计算机1的一个输出端相连;控制器73的另一个输入端与工控计算机1的另一个输出端相连;控制器73的输出端与PID电路2的输入端相连。
在本实施例中,PID电路2包括顺次串联的比较器21、比例运算电路22、积分运算电路23和微分运算电路24,比较器21的两个输入端分别接控制器73的输出端、位移传感器6的输出端;微分运算电路24的输出端与伺服阀驱动器3的输入端相连。
控制过程为:比较器21对控制指令u(t)和位移信号x(t)进行比较,得到偏差e(t),e(t)=|u(t)-x(t)|;比例运算电路22、积分运算电路23和微分运算电路24对u(t)和x(t)之间的偏差e(t)进行比例、积分和微分处理后输出校正信号v(t),使作动器5的参数紧紧跟随u(t);位移传感器6输出根据作动器5运动位置的位移信号x(t)至比较器,完成闭环控制。
还设置采集卡8,包括A/D、D/A电路,A/D电路串联在工控计算机1的输入与位移传感器6的输出之间,D/A电路串联在控制器73的输出与PID电路2的输入之间。
Claims (9)
1、一种用于汽车道路模拟的电液伺服控制系统,其特征在于,包括工控计算机(1)、比例-积分-微分电路(2)、伺服阀驱动器(3)、伺服阀(4)、作动器(5)和位移传感器(6),工控计算机(1)的输入端与位移传感器(6)的输出端相连,工控计算机(1)的输出与比例-积分-微分电路(2)的输入端相连,工控计算机(1)根据期望的路谱信号和采集的上一时刻的位移信号输出控制指令,位移传感器(6)的输出端与比例-积分-微分电路(2)的另一个输入端相连,比例-积分-微分电路(2)的输出端与伺服阀驱动器(3)的输入端相连,比例-积分-微分电路(2)根据控制指令和采集的位移信号输出校正信号,伺服阀驱动器(3)的输出端与伺服阀(4)的输入端相连,伺服阀驱动器(3)放大校正信号生成电流信号作用于伺服阀(4),伺服阀(4)的输出端与作动器(5)的输入端相连,伺服阀(4)调节液压流量推动作动器运动,作动器(5)的输出端与位移传感器(6)的输入端相连,位移传感器(6)根据作动器(5)的运动位置输出位移信号。
2、根据权利要求1所述的一种用于汽车道路模拟的电液伺服控制系统,其特征在于:至少还包括第二比例-积分-微分电路、第二伺服阀驱动器、第二伺服阀、第二作动器和第二位移传感器,工控计算机(1)的第二输出端与第二比例-积分-微分电路的输入端相连,工控计算机(1)的第二输入端与第二位移传感器的输出端相连,第二位移传感器的输出端与第二比例-积分-微分电路的另一个输入端相连,第二比例-积分-微分电路的输出端与第二伺服阀驱动器的输入端相连,第二伺服阀驱动器的输出端与第二伺服阀的输入端相连,第二伺服阀的输出端与第二作动器的输入端相连,第二作动器的输出端与第二位移传感器的输入端相连。
3、根据权利要求1所述的一种用于汽车道路模拟的电液伺服控制系统,其特征在于:还包括最小方差自校正控制器(7)串联在工控计算机(1)和比例-积分-微分电路(2)之间。
4、根据权利要求3所述的一种用于汽车道路模拟的电液伺服控制系统,其特征在于:所述最小方差自校正控制器(7)包括参数估计器(71)、设计计算器(72)和控制器(73),参数估计器(71)的输出端与设计计算器(72)的输入端相连,设计计算器(72)的输出端与控制器(73)的输入端相连,参数估计器(71)的两个输入端分别与控制器(73)的输出端、工控计算机(1)的一个输出端相连;控制器(73)的另一个输入端与工控计算机(1)的另一个输出端相连;控制器(73)的输出端与比例-积分-微分电路(2)的输入端相连。
5、根据权利要求4所述的一种用于汽车道路模拟的电液伺服控制系统,其特征在于:还包括采集卡(8),所述采集卡(8)包括A/D电路和D/A电路,A/D电路串联在工控计算机(1)的输入与位移传感器(6)的输出之间,D/A电路串联在控制器(73)的输出与比例-积分-微分电路(2)的输入之间。
6、根据权利要求1-5其中之一所述的一种用于汽车道路模拟的电液伺服控制系统,其特征在于:所述比例-积分-微分电路(2)包括顺次串联的比较器(21)、比例运算电路(22)、积分运算电路(23)和微分运算电路(24),比较器(21)的两个输入端分别接控制器(73)的输出端、位移传感器(6)的输出端;微分运算电路(24)的输出端与伺服阀驱动器(3)的输入端相连。
7、一种用于汽车道路模拟的电液伺服控制系统方法,其特征在于,包括如下步骤:A、工控计算机(1)根据当前时刻期望的路谱信号和上一时刻的位移信号产生控制指令传递给比例-积分-微分电路(2);B、比例-积分-微分电路(2)根据控制指令和位移信号产生校正信号;C、校正信号经过伺服阀驱动器(3)放大生成电流信号作用于伺服阀(4);D、伺服阀(4)调节液压流量推动作动器(5)运动,同时位移传感器(6)将作动器(5)的位移信号反馈给工控计算机(1),回到步骤A。
8、根据权利要求7所述的一种用于汽车道路模拟的电液伺服控制系统方法,其特征在于,所述步骤A中产生控制指令的方法具体为:最小方差自校正控制器(7)根据期望的路谱信号和位移信号输出控制指令。
9、根据权利要求7所述的一种用于汽车道路模拟的电液伺服控制系统方法,其特征在于,所述步骤B中产生校正信号的方法具体为:比例-积分-微分电路(2)中的比较器(21)对控制指令和位移信号进行比较,得到偏差;比例-积分-微分电路(2)中的比例运算电路(22)、积分运算电路(23)和微分运算电路(24)再对该偏差进行比例、积分、微分处理后输出校正信号。
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