CN219529467U - 一种电液伺服控制系统的模拟装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开一种电液伺服控制系统的模拟装置，其内设置有电液伺服执行装置的孪生模型，所述电液伺服执行装置包括指令装置、液压源、电液伺服阀、伺服油缸、负载和传感器装置；所述模拟装置的阀控信号输入端与电液伺服执行装置的伺服控制器的伺服阀控电流输出端连接；所述模拟装置的指令信号输出端与所述伺服控制器的指令信号输入端连接；所述模拟装置的电流反馈输出端与所述伺服控制器的电流反馈输入端连接；所述模拟装置的电压反馈输出端与所述伺服控制器的电压反馈输入端连接。本实用新型基于孪生模型实现电液伺服执行装置的模拟，可结合伺服控制器模拟电液伺服阀控系统的运行过程，无需庞大、笨重的液压源、执行元件、反馈传感器等的应用。

Description

一种电液伺服控制系统的模拟装置

技术领域

本实用新型涉及工业电液伺服控制领域，特别是涉及一种电液伺服控制系统的模拟装置。

背景技术

图1所示：电液伺服阀控系统是指以控制伺服元件(电液伺服阀SV)为控制核心的液压控制系统，它通常由指令装置FIC、伺服控制器SC、液压源HS、伺服元件(电压伺服阀SV)、执行元件(伺服油缸SM)、位置反馈传感器ZE及负载L组成。其中伺服控制器SC根据指令装置FIC的指令信号来控制电液伺服阀SV的开关方向和开度大小来控制执行元件(伺服油缸SM的动作方向和动作速度。负载L通常为轴流风机的静叶风扇，执行元件伺服油缸SM的动作带动负载L动作，从而最终控制而实际应用中液压源、执行元件、反馈传感器等真实设备体积庞大、笨重，且如果用于新产品开发极易导致过载、漏油、信号开路等事故的发生，不适合在办公室写字楼等研发设计场合安装测试。市场迫切需要一种模拟装置来模拟这套系统的运转过程和信号变换过程来满足新产品研发中过程测试需求。

实用新型内容

本实用新型的目的是提供一种电液伺服控制系统的模拟装置，以结合伺服控制器模拟电液伺服阀控系统的运行过程，无需庞大、笨重的液压源、执行元件、反馈传感器等的应用。

为实现上述目的，本实用新型提供了如下方案：

本实用新型提供一种电液伺服控制系统的模拟装置，所述模拟装置内设置有电液伺服执行装置的孪生模型，所述电液伺服执行装置包括指令装置、液压源、电液伺服阀、伺服油缸、负载和传感器装置；

所述模拟装置的阀控信号输入端与电液伺服执行装置的伺服控制器的伺服阀控电流输出端连接；所述模拟装置的指令信号输出端与所述伺服控制器的指令信号输入端连接；

所述模拟装置的电流反馈输出端与所述伺服控制器的电流反馈输入端连接；所述模拟装置的电压反馈输出端与所述伺服控制器的电压反馈输入端连接。

可选的，所述模拟装置包括MCU主控板，及与所述MCU主控板连接的主控信号输入输出端和主控反馈输出端；

所述主控信号输入输出端包括指令信号输出端和阀控信号输入端；所述主控反馈输出端包括电流反馈输出端和电压反馈输出端

所述孪生模型设置在所述MCU主控板内。

可选的，所述电流反馈输出端的数量为多个，所述电压反馈输出端的数量为多个。

可选的，所述模拟装置还包括：与所述MCU主控板连接的冗余信号输入输出端和冗余反馈输出端；

所述冗余信号输入输出端包括指令信号输出端和阀控信号输入端，所述冗余反馈输出端包括电流反馈输出端和电压反馈输出端。

可选的，所述模拟装置还包括：与所述MCU主控板连接的触摸显示屏、反馈信号调节旋钮和指令信号调节旋钮；

反馈信号调节旋钮用于调节输出给所述伺服控制器的电压反馈信号和电流反馈信号的大小，所述指令信号调节旋钮用于调节输出给所述伺服控制器的电压指令信号的大小。

根据本实用新型提供的具体实施例，本实用新型公开了以下技术效果：

本实用新型公开一种电液伺服控制系统的模拟装置，所述模拟装置内设置有电液伺服执行装置的孪生模型，所述电液伺服执行装置包括指令装置、液压源、电液伺服阀、伺服油缸、负载和传感器装置；所述模拟装置的阀控信号输入端与电液伺服执行装置的伺服控制器的伺服阀控电流输出端连接；所述模拟装置的指令信号输出端与所述伺服控制器的指令信号输入端连接；所述模拟装置的电流反馈输出端与所述伺服控制器的电流反馈输入端连接；所述模拟装置的电压反馈输出端与所述伺服控制器的电压反馈输入端连接。本实用新型基于孪生模型实现电液伺服执行装置的模拟，可结合伺服控制器模拟电液伺服阀控系统的运行过程，无需庞大、笨重的液压源、执行元件、反馈传感器等的应用。

附图说明

为了更清楚地说明本实用新型实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本实用新型的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本实用新型背景技术提供的电液伺服控制系统的原理图；

图2为本实用新型实施例提供的模拟装置的结构示意图；

图3为本实用新型实施例提供的模拟装置的电气拓扑框图；

附图标记说明：

1、上位机数字通讯接口；2、电源；3、壳体；4、触摸显示屏；5、MCU主控板；6、指令信号调节旋钮；7、反馈信号调节旋钮；8、主控反馈输出端的端子；9、冗余反馈输出端的端子；10、主控信号输入输出端的端子；11、冗余信号输入输出端的端子。

具体实施方式

下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型保护的范围。

本实用新型的目的是提供一种电液伺服控制系统的模拟装置，以结合伺服控制器模拟电液伺服阀控系统的运行过程，无需庞大、笨重的液压源、执行元件、反馈传感器等的应用。

为使本实用新型的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本实用新型作进一步详细的说明。

本实用新型通过MCU控制系统配合外围电路实现模拟(仿真)电液伺服控制系统中除伺服控制器之外的所有系统内设备的动作、信号变换过程，用以搭建电液伺服控制系统模拟(仿真)平台，从而辅助伺服控制器的新产品开发和产品性能验证。本实用新型通过模拟装置中基于孪生模型实现指令信号的发生、液压源SC动力输出过程、伺服元件(电压伺服阀SV)控制过程、执行元件(电液伺服阀SV)动作过程、反馈传感器(ZE)位置信号采集过程、伺服控制器输出的伺服阀控信号解析、伺服控制器报警信号解析等控制过程和系统状态的模拟，并配以显示触摸屏、信号调节按钮、信号接线端子等实现对此模拟系统的参数调试和信号的输入和输出。具体如下：

如图2和图3所示，一种电液伺服控制系统的模拟装置，所述模拟装置内设置有电液伺服执行装置的孪生模型，所述电液伺服执行装置包括指令装置、液压源、电液伺服阀、伺服油缸、负载和传感器装置；所述模拟装置的阀控信号输入端与电液伺服执行装置的伺服控制器的伺服阀控电流输出端连接；所述模拟装置的指令信号输出端与所述伺服控制器的指令信号输入端连接；所述模拟装置的电流反馈输出端与所述伺服控制器的电流反馈输入端连接；所述模拟装置的电压反馈输出端与所述伺服控制器的电压反馈输入端连接。

其中，所述孪生模型的构建方式为：获取电液伺服执行装置在输入不同伺服阀控电流时的电压反馈信号和电流反馈信号；将伺服阀控电流作为输入，将电压反馈信号和电流反馈信号作为输出，构建训练样本；基于所述训练样本训练神经网络模型，使神经网络模型的第一输出与所述电压反馈信号一致，使神经网络模型的第二输出与所述电流反馈信号一致，获得训练后的神经网络模型作为所述孪生模型。

本实用新型孪生模型的计算过程，也可采用其他方式建立，例如构建各个部件的数学模型然后进行连接，或通过积分及一系列参数预设量来实现各个设备的动作快慢、行程位置等仿真模拟，但是该方法计算量较大，本实用新型的神经网络模型的方法为一种经过验证之后的优选方法，另外通过积分及一系列参数预设量来实现各个设备的动作快慢、行程位置等仿真模拟时，具体为：通过MCU主控板5对伺服阀控信号偏离阀控信号中值的差值进行积分的逻辑运算来实现的，通过积分值的大小来调节反馈信号的大小，并通过调节积分时间系数和积分比例系数的大小来调节积分速度，此算法用以模拟液压源动力输出快慢过程和执行元件动作响应的滞后性等，从而使模拟器更接近于实际应用情况。具体举例说明，阀控信号是用来调节电液伺服阀位置的信号，以阈值为±60mA电液伺服阀为例，阀控信号中间稳态电流为0mA，当伺服控制器输出阀控信号为1mA时，说明电液伺服阀需要向正向移动，电液伺服阀移动的同时带动传感器移动，传感器发出反馈信号也同步变化，当伺服控制器检测到位置反馈信号变化达到目标值时输出阀控信号变为0mA(中间稳态电流)，电液伺服阀不在移动。本模拟装置就是模拟了电液伺服阀接收阀控信号后的动作过程传感器产生反馈信号的变化过程。

所述伺服控制器内设置有双闭环控制算法，所述双闭环控制算法中的外环控制算法用于根据电压指令信号与电压反馈信号的差值计算电流指令信号，所述双闭环控制算法中的内环控制算法用于根据电流指令信号和电流反馈信号的差值计算伺服阀控电流。所述外环控制算法为PI控制算法和PID控制算法中的一种，所述外环控制算法为PI控制算法和PID控制算法中的一种，在此不做限定。

如图2和图3所示，上述模拟装置的具体结构为：

所述模拟装置包括MCU主控板5，及与所述MCU主控板5连接的主控信号输入输出端和主控反馈输出端；所述主控信号输入输出端包括指令信号输出端和阀控信号输入端；所述主控反馈输出端包括电流反馈输出端和电压反馈输出端；所述孪生模型设置在所述MCU主控板5内。主控信号输入输出端的端子10和主控反馈输出端的端子8如图2所示。

所述电流反馈输出端的数量为多个(图3中为3个)，所述电压反馈输出端的数量为多个(图3中仅仅示出了一个，但是可以根据需要进行调整)。

所述模拟装置还包括：与所述MCU主控板5连接的冗余信号输入输出端和冗余反馈输出端；所述冗余信号输入输出端包括指令信号输出端和阀控信号输入端，所述冗余反馈输出端包括电流反馈输出端和电压反馈输出端。冗余信号输入输出端的端子11和冗余反馈输出端的端子9如图2所示。

示例性的，本实用新型实施例中的阀控信号输入端为AD采集接口，通过AD变换电路采集伺服控制器输出的伺服阀控信号，且伺服阀控信号采用独立双路双冗余接口设置。

所述模拟装置还包括：与所述MCU主控板5连接的触摸显示屏4、反馈信号调节旋钮7和指令信号调节旋钮6；反馈信号调节旋钮7用于调节输出给所述伺服控制器的电压反馈信号和电流反馈信号的大小，所述指令信号调节旋钮6用于调节输出给所述伺服控制器的电压指令信号的大小。

本实用新型实施例中的模拟装置还包括电源2，用于为触摸显示屏4和MCU主控板5供电。

本实用新型实施例中模拟装置的电源2和MCU主控板5设置在壳体3内，端口设置在壳体3上。

如图3所示，本实用新型的模拟装置中指令信号(即电压指令信号，设置了双冗余)，作为另一种实施方式，指令信号为电流指令信号，信号范围4-20mA和0-24mA双档位可选，并通过电流指令信号调节旋钮6分段调节，并使其中4mA档位和20mA档位临近安置，方便实现信号快速满量程切换，电流反馈信号(3路独立可调)、电压反馈信号为输出控制信号(输出给伺服控制器)，电流反馈信号范围为4-20mA和0-24mA档位可选，电压反馈信号范围为0-10V/DC，伺服阀控信号(即伺服阀控电流)为输入信号，为满足双伺服控制器的冗余电液伺服控制系统的仿真，以上信号接口和逻辑运算方法均提供主控和冗余两个独立通道。三路电流反馈信号是为了模拟三冗余位置传感器的三路独立信号。具体为：手工拧动本实用新型模拟装置的指令信号调节旋钮6到不同的毫安档位使本实用新型装置输出某个确定的指令信号，本实用新型装置提供的指令信号档位有0mA，2mA，4mA，6mA，8mA，10mA，12mA，14mA，16mA，18mA，20mA，4mA，ANY，设置两个4mA档位是为了满足档位固定值递增的情况下实现20mA，4mA临近档位安置，此安置方便实现测试满量程大信号切变下伺服控制器的响应特性，ANY档位为上位机软件控制档位，在此档位下信号输出受上位机软件指令控制输出任意值信号，用于与上位机软件连接的接口为图2中的上位机数字通讯接口1。

指令信号送入伺服控制器，伺服控制器接收到指令信号后对指令信号进行响应并经过计算后输出相应的伺服阀控信号，伺服阀控信号又返回本实用新型模拟装置的阀控信号输入端，本实用新型模拟装置接收到伺服控制器输出的阀控信号后开始模拟液压源、电液伺服阀、伺服油缸的动作过程，并最终通过本实用新型模拟装置产生的模拟位置传感器信号的电压反馈信号和电流反馈信号来表达。

本实用新型模拟装置产生的位置传感器模拟信号反馈输出给给伺服控制器，伺服控制器接收到反馈信号(电压反馈信号和电流反馈信号)后对反馈信号进行处理，然后伺服控制器根据对反馈信号的处理结果进一步调节伺服阀控信号的信号强度，这个被调节过的伺服阀控信号再次被本实用新型模拟装置采集，由此形成信号闭环，最终判断出伺服控制器是否具备根据指令信号和反馈信号的实时变化调节出正确的阀控信号的能力，并保证阀控信号的时间效率，从而得出伺服控制器是否具备伺服控制能力的结论。

电液伺服控制系统一般工作的冶金、发电场合，系统设备非常昂贵，如果因为控制系统故障导致系统停机将造成巨大损失。为提高系统稳定性，实际应用重经常采用双伺服控制器一备一用的冗余工作方式。一备一用的冗余控制系统中指令信号和位置传感器反馈信号都是双路独立信号，有的反馈信号每路冗余信号都各自是三路冗余信号。在一备一用的冗余电液伺服控制系统中，两台伺服控制器之间保持着心跳通讯，当主控制器发生故障心跳信号停止，冗余控制器立即自动启动接管系统控制，本实用新型装置设置了独立的双指令信号，和双位置反馈信号，每路位置反馈信号还支持三冗余反馈信号独立输出。

本实用新型装置设置了独立的反馈信号调节旋钮7，其意义是可以直接调节反馈信号大小，不必根据伺服阀控信号来逻辑运算得出，从而使本实用新型装置具备开还测试的能力。

本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。

本文中应用了具体个例对本实用新型的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本实用新型的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本实用新型的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本实用新型的限制。

Claims (5)

1.一种电液伺服控制系统的模拟装置，其特征在于，所述模拟装置内设置有电液伺服执行装置的孪生模型，所述电液伺服执行装置包括指令装置、液压源、电液伺服阀、伺服油缸、负载和传感器装置；

所述模拟装置的阀控信号输入端与电液伺服执行装置的伺服控制器的伺服阀控电流输出端连接；所述模拟装置的指令信号输出端与所述伺服控制器的指令信号输入端连接；

所述模拟装置的电流反馈输出端与所述伺服控制器的电流反馈输入端连接；所述模拟装置的电压反馈输出端与所述伺服控制器的电压反馈输入端连接。

2.根据权利要求1所述的电液伺服控制系统的模拟装置，其特征在于，所述模拟装置包括MCU主控板，及与所述MCU主控板连接的主控信号输入输出端和主控反馈输出端；

所述主控信号输入输出端包括指令信号输出端和阀控信号输入端；所述主控反馈输出端包括电流反馈输出端和电压反馈输出端

所述孪生模型设置在所述MCU主控板内。

3.根据权利要求2所述的电液伺服控制系统的模拟装置，其特征在于，所述电流反馈输出端的数量为多个，所述电压反馈输出端的数量为多个。

4.根据权利要求2所述的电液伺服控制系统的模拟装置，其特征在于，所述模拟装置还包括：与所述MCU主控板连接的冗余信号输入输出端和冗余反馈输出端；

所述冗余信号输入输出端包括指令信号输出端和阀控信号输入端，所述冗余反馈输出端包括电流反馈输出端和电压反馈输出端。

5.根据权利要求2所述的电液伺服控制系统的模拟装置，其特征在于，所述模拟装置还包括：与所述MCU主控板连接的触摸显示屏、反馈信号调节旋钮和指令信号调节旋钮；

反馈信号调节旋钮用于调节输出给所述伺服控制器的电压反馈信号和电流反馈信号的大小，所述指令信号调节旋钮用于调节输出给所述伺服控制器的电压指令信号的大小。