CS218698B1

CS218698B1 - Involvement of electrohydraulic positional servomechanism with active improvement of dynamic parameters

Info

Publication number: CS218698B1
Application number: CS239881A
Authority: CS
Inventors: Vojtech Prchlik; Zdenek Vavra; Vladimir Vurm
Original assignee: Vojtech Prchlik; Zdenek Vavra; Vladimir Vurm
Priority date: 1981-03-31
Filing date: 1981-03-31
Publication date: 1983-02-25

Abstract

Vynález se týká zapojení elektrohydraulického polohového servomechanismu s aktivním zlepšením dynamických parametrů. Řeší zlepšení dynamických parametrů elektrohydraulického polohového servomechanismu. Podstata vynálezu je způsob zapojení elektrohydraulického polohového servomechanismu použitím kombinace vnitřní tlakové a nadřazené rychlostní zpětnovazební smyčky. Oblast využití vynálezu je zejména v pohonech posuvů NC obráběcích strojů, průmyslových robotů a manipulátorů a dále všude tam, kde je třeba přesně řídit rychlost a polohu některé části daného výrobního stroje nebo zařízení.The invention relates to the connection of an electrohydraulic position servomechanism with active improvement of dynamic parameters. It solves the problem of improving the dynamic parameters of an electrohydraulic position servomechanism. The essence of the invention is a method of connecting an electrohydraulic position servomechanism using a combination of an internal pressure and a superior speed feedback loop. The field of application of the invention is mainly in feed drives of NC machine tools, industrial robots and manipulators and wherever it is necessary to precisely control the speed and position of some part of a given production machine or device.

Description

Vynález se týká zapojení elektrohydraulického polohového servomechanismu s aktivním zlepšením dynamických parametrů.The invention relates to the connection of an electrohydraulic position servo mechanism with active improvement of dynamic parameters.

Pro řízení pohyblivých částí výrobních strojů se často používají elektrohydraulické polohové servomechanismy. Pro realizaci přímočarého pohybu bývá konstrukčně nejjednodušší a ekonomicky nejvýhodnější použít servomechanismus, u něhož akční člen je tvořen hydraulickým válcem. Obvyklým nedostatkem dosud známých uspořádání polohových servomechanismů s hydraulickými válci jsou jejich méně vhodné dynamické parametry, které jsou pro větší zdvihy zpravidla podstatně horší než parametry odpovídajícího elektrohydraulického polohového servomechanismu s rotačním hydromotorem a pohybovým šroubem. Hlavní příčinou méně kvalitních dynamických vlastností polohového servomechanismu s hydraulickým válcem je velká objemová stlačitelnost tlakové kapaliny uzavřené mezi řídicím ventilem a pístem hydraulického válce. V důsledku toho vykazuje hydraulický válec nízkou tuhost ve směru posuvu. Tato nízká tuhost vede k nízké vlastní frekvenci hydraulického válce, k nízké hodnotě jeho tlumení a k nepříznivému průběhu dynamické tuhosti, která značně klesá již od velmi nízkých frekvencí. Různé způsoby zapojení polohového servomechanismu s hydraulickým válcem vedou k různým vlastnostem tohoto servomechanismu jako celku. Při zapojení v prosté polohové smyčce nevhodné dynamické vlastnosti hydraulického válce nejsou regulační vazbou zpravidla vůbec ovlivněny a plně se projevují na výsledných vlastnostech polohového servomechanismu. Nízká vlastní frekvence hydraulického válce přitom značně omezuje dosažitelné zesílení v polohové regulační smyčce a tím také výsledné statické parametry. Pro náročnější aplikace proto bývá toto uspořádání polohového servomechanismu zpravidla zcela nepoužitelné a to především tehdy, jestliže je požadován větší regulační rozsah rychlosti.Electrohydraulic position servomechanisms are often used to control moving parts of production machines. In order to realize a linear movement, it is structurally simplest and economically advantageous to use a servomechanism in which the actuator is formed by a hydraulic cylinder. A common drawback of the prior art arrangement of position servomechanisms with hydraulic cylinders is their less suitable dynamic parameters, which, for larger strokes, are generally significantly worse than those of the corresponding electrohydraulic position servomechanism with rotary hydraulic motor and motion screw. The main cause of the low quality dynamic properties of the servo mechanism with the hydraulic cylinder is the high volume compressibility of the pressure fluid enclosed between the control valve and the piston of the hydraulic cylinder. As a result, the hydraulic cylinder exhibits low stiffness in the feed direction. This low stiffness leads to a low inherent frequency of the hydraulic cylinder, a low damping value and an unfavorable course of dynamic stiffness, which decreases considerably from very low frequencies. Different ways of engaging a servo positioner with a hydraulic cylinder result in different properties of the servomechanism as a whole. When connected in a simple position loop, the unsuitable dynamic properties of the hydraulic cylinder are usually not influenced by the control coupling at all and are fully reflected in the resulting properties of the positional servomechanism. The low natural frequency of the hydraulic cylinder greatly limits the achievable gain in the positioning control loop and thus the resulting static parameters. For more demanding applications, this positioning servomechanism is therefore generally not usable, especially when a larger speed control range is required.

Uvedené nedostatky odstraňuje zapojení podle vynálezu. Podstata vynálezu spočívá v tom, že u elektrohydraulického polohového servomechanismu, který je vybaven číslicovými regulačními obvody, dvěma polohovými a jednou rychlostní zpětnou vazbou, přičemž řízená část stroje je spojena s pohyblivou částí hydraulického akčního členu a pohyblivou částí odměřovacího zařízení polohy, zatímco nepohyblivá část hydraulického akčního a nepohyblivá část odměřovacího zařízení polohy je spojena s nepohyblivou částí stroje, je výstup prvního diferenčního členu propojen jednak na vstup číslicového· integračního členu, jednak na vstup prvního číslicově analogového převodníku, přičemž výstup číslicového' integračního členu je propjen na první vstup druhého diferenčního členu. Výstup druhého diferenčního členu je propojen na vstup druhého číslicově analogového převodníku, jehož výstup je propojen na druhý vstup váhového sčítacího obvodu pro váhové sčítání signálů na jeho prvním a druhém vstupu. Na první vstup váhového sčítacího obvodu je propojen výstup prvního číslicově analogového převodníku, přičemž výstup váhového sčítacího obvodu je propojen na vstup frekvenčního korekčního obvodu, jehož výstup je propojen na první vstup regulátoru. Výstup regulátoru je propojen na vstup elektrohydraulického řídicího ventilu, do kterého je zapojen vstup tlakového média. Vstupním signálem elektrohydraulického řídicího ventilu je elektrické napětí nebo elektrický proud, který je výstupním signálem regulátoru. Elektrohydraulický řídicí ventil je hydraulicky propojen jednak na levý poloprostor a jednak na pravý poloprostor hydraulického' akčního členu. Levý a pravý poloprostor hydraulického akčního členu jsou jednak odděleny přepážkou, jednak jsou propojeny hydraulickým odporem. Výstup nepohyblivé části odměřovacího zařízení polohy je napojen jednak na vstup vyhodnocovacího zařízení polohy, jednak na vstup vyhodnocovacího zařízení rychlosti, přičemž výstup vyhodnocovacího zařízení polohy je propojen jednak na druhý vstup prvního diferenčního členu a jednak na druhý vstup druhého diferenčního členu. Výstup vyhodnocovacího zařízení rychlosti je propojen na druhý vstup regulátoru. Na první vstup prvního diferenčního členu je propojen výstup ovládacího zařízení. Zapojení podle vynálezu je v druhé alternativě doplněno tím, že levý a pravý poloprostor hydraulického akčního členu jsou hydraulicky propojeny na první a druhý vstup vyhodnocovacího zařízení tlakové diference, jehož elektrický výstup je propojen na třetí vstup regulátoru.These drawbacks are overcome by the circuitry according to the invention. SUMMARY OF THE INVENTION In an electrohydraulic position servo mechanism equipped with digital control circuits, two position and one speed feedback, the machine driven part is connected to the movable part of the hydraulic actuator and the movable part of the position metering device, while the stationary part of the hydraulic the output and the stationary part of the position measuring device are connected to the stationary part of the machine, the output of the first differential member is connected both to the input of the digital integrator and to the input of the first digital-analog converter; . The output of the second differential member is coupled to the input of the second D / A converter, the output of which is coupled to the second input of the weighted summation circuit for weighting the signals at its first and second inputs. The output of the first digital-to-analog converter is connected to the first input of the weighing circuit, and the output of the weighing circuit is connected to the input of the frequency correction circuit whose output is connected to the first input of the controller. The controller output is connected to the inlet of the electrohydraulic control valve to which the inlet of the pressure medium is connected. The input signal of the electrohydraulic control valve is electrical voltage or current, which is the output signal of the controller. The electrohydraulic control valve is hydraulically connected to the left half-space and to the right half-space of the hydraulic actuator. The left and right half of the hydraulic actuator are separated by a partition and connected by hydraulic resistance. The output of the stationary part of the position metering device is connected both to the input of the position evaluation device and to the input of the speed evaluation device, the output of the position evaluation device being connected both to the second input of the first differential member and to the second input of the second differential member. The output of the speed evaluation device is connected to the second controller input. The output of the control device is connected to the first input of the first differential member. The connection according to the invention is complemented in a second alternative in that the left and right half-spaces of the hydraulic actuator are hydraulically connected to the first and second inputs of the differential pressure evaluation device, the electrical output of which is connected to the third input of the controller.

Hlavní přednosti zapojení polohového servomechanismu podle vynálezu ve srovnání s užívanými způsoby zapojení polohových servomechanismů s hydraulickými válci spočívají především v aktivním způsobu zlepšení dynamických parametrů hydraulického akčního členu (vyšší tuhost a vyšší vlastní frekvence, vyšší tlumení] použitím kombinace vnitřní tlakové a nadřazené rychlostní zpětnovazební smyčky. Tento postup neklade žádné zvýšené nároky na spotřebu energie, na parametry hydraulického agregátu ani na stavební rozměry polohového servomechanismu, jak by tomu bylo v případě zvyšování vlastní frekvence hydraulického akčního členu při daném zdvihu například použitím válce většího průměru. Vyšší vlastní frekvence a vyšší tlumení hydraulického akčního členu umožňuje realizovat v polohových smyčkách větší zesílení, což značně zrychluje odezvu polohového servomechanismu při vstupu poruchové veličiny, zejména při náhlé změně zatěžující síly. Vyšší vlastní frekvence hydrau218698 lického akčního členu spolu s jeho vyšším tlumením zajišťuje podstatně příznivější průběh dynamické tuhosti celého polohového servomechanismů při působení rázové nebo periodicky proměnné zatěžující síly. Vyšší zesílení v polohových smyčkách umožňuje zvýšit maximální rychlost pohybu řízené části stroje, aniž by bylo třeba kompenzovat ustálenou hodnotu polohové odchylky pomocným^ signálem úměrným povelové rychlosti. Číslicový integrační člen zařazený mezi první diferenční člen a druhý diferenční člen odstraňuje vliv driftů uzavřené rychlostní smyčky a driftů anatogové části na stálost nastavené polohy. Číslicový integrační člen umožňuje dosažení vysoké citlivosti celého servomechanismů i při existenci pasivních odporů ve vodicích plochách řízené části stroje. Zesílení polohové smyčky je určeno zapojením číslicových obvodů, je proto dlouhodobě naprosto stálé a lze snadno; nastavit stejnou hodnotu tohoto zesílení pro větší počet současně se pohybujících řízených částí stroje. Tím je možno zajistit synchronní chod většího; počtu servomechanismů, případně dosahovat minimální zkreslení při realizaci rovinné nebo prostorové trajektorie superpozicí dvou nebo tří současných pohybů. Zařízení podle vynálezu zaručuje vysoce kvalitní statické vlastnosti, přesnou hodnotu zesílení polohové smyčky a umožňuje takové nastavení, aby byl zaručen aperiodický průběh přechodového děje při skokové změně povelové rychlosti.The main advantages of the positioning servomechanism according to the invention compared to the used methods of positioning servomechanisms with hydraulic cylinders lie mainly in the active way of improving the dynamic parameters of the hydraulic actuator (higher stiffness and higher natural frequency, higher damping) using a combination of internal pressure and superior speed feedback loop. This procedure does not impose any increased demands on energy consumption, hydraulic power unit parameters, nor the constructional dimensions of the servo positioning mechanism, as would be the case when increasing the natural frequency of a hydraulic actuator at a given stroke using a larger diameter cylinder. enables to realize higher amplification in position loops, which considerably accelerates the response of positional servomechanism on failure input The higher natural frequency of the hydraulic actuator together with its higher damping ensures a significantly more favorable course of the dynamic stiffness of the entire positional servomechanisms under the influence of a shock or periodically variable load force. Higher gain in the position loops allows to increase the maximum speed of movement of the controlled part of the machine without the need to compensate the steady state value of the position deviation with an auxiliary signal proportional to the command speed. The digital integrator included between the first differential member and the second differential member eliminates the effect of the closed-loop velocity drifts and the anatogic part drifts on the stability of the set position. The digital integrator enables to achieve high sensitivity of the whole servomechanisms even in the presence of passive resistances in the guiding surfaces of the controlled part of the machine. The position loop gain is determined by the connection of digital circuits and is therefore absolutely stable in the long term and can be easily; set the same value of this gain for a plurality of simultaneously moving controlled machine parts. This makes it possible to ensure synchronous operation of the larger one; number of servomechanisms, or achieve minimal distortion in the implementation of planar or spatial trajectory by superposition of two or three simultaneous movements. The device according to the invention guarantees high-quality static properties, an accurate value of the position loop gain and allows such adjustment to guarantee an aperiodic course of the transient process during a step change of the command speed.

Příklad zapojení podle vynálezu je na obr. 1. Výstup prvního diferenčního členu 1 je propojen jednak na vstup číslicového integračního členu 2, jednak na vstup prvního číslicově analogového převodníku 4. Výstup číslicového integračního členu 2 je propojen na první vstup druhého diferenčního členu 3, jehož výstup je propojen na vstup druhého číslicově analogového převodníku 5, jehož výstup je propojen na druhý vstup váhového sčítacího obvodu 6, na jehož první vstup je propojen výstup prvního číslicově analogového převodníku 4. Výstup váhového sčítacího obvodu 6 je propojen na vstup frekvenčního korekčního obvodu 7, jehož výstup je propojen na první vstup regulátoru 8, jehož výstup je propojen na vstup elektrohydraulického řídicího ventilu 10, do kterého zapojen vstup tlakového média 21, a který je hydraulicky propojen jednak na levý poloprostor 19, jednak na pravý poloprostor 20, které jsou tvořeny přepážkou 18 a tělesem hydraulického akčního členu 12, přičemž levý poloprostor 19 a pravý poloprostor 20 jsou propojeny hydraulickým odporem 11. Přepážka 18 je pevně mechanicky spojena s řízenou částí stroje 13, s níž je také pevně mechanicky spojena pohyblivá část odměřovacího zařízení polohy 9. Těleso hydraulického akčního členu 12 a nepohyblivá část odměřovacího zařízení polohy 14 jsou pevně mechanicky spojeny s nepohyblivou částí stroje 23, přičemž nepohyblivá část odměřovacího zařízení polohy 14 je napojena jednak na vstup vyhodnocovacího zařízení polohy 15, jednak na vstup vyhodnocovacího' zařízení rychlosti 16. Výstup vyhodnocovacího zařízení polohy 15 je propojen jednak na druhý vstup prvního diferenčního členu 1, jednak na druhý vstup druhého diferenčního členu 3. Výstup vyhodnocovacího zařízení rychlosti 16 je propojen na druhý vstup regulátoru 8. Na první vstup prvního diferenčního' členu 1 je propojen výstup ovládacího zařízení 22. Zapojení podle vynálezu je v druhé alternativě doplněno tím, že levý poloprostor 19 a pravý poloprostor 20 jsou hydraulicky propojeny na první a druhý vstup vyhodnocovacího zařízení tlakové diference 17, jehož elektrický výstup je propojen na třetí vstup regulátoru 8. Kromě zobrazeného příkladu zapojení pro hydraulický akční člen ve tvaru hydraulického válce je možno totéž zapojení použít napr. pro natáčivý křídlový hydromotor.An example of a circuit according to the invention is shown in Fig. 1. The output of the first differential member 1 is connected to the input of the digital integrator 2 and to the input of the first digital-analog converter 4. The output of the digital integrator 2 is connected to the first input of the second differential the output is connected to the input of the second digital-to-analog converter 5, the output of which is connected to the second input of the weighing circuit 6, to the first input of which the output of the first digital-analog converter 4 is connected. whose output is connected to the first input of the regulator 8, whose output is connected to the input of the electrohydraulic control valve 10, to which the pressure medium input 21 is connected, and which is hydraulically connected both to the left half-space 19 and to the right half-space 20 the bulkhead 18 and the body of the hydraulic actuator 12, the left half-space 19 and the right half-space 20 being connected by a hydraulic resistor 11. The bulkhead 18 is rigidly mechanically connected to the controlled part of the machine 13 to which the movable part of the metering device 9 is fixed. the hydraulic actuator 12 and the stationary part of the position measuring device 14 are rigidly mechanically connected to the stationary part of the machine 23, wherein the stationary part of the position measuring device 14 is connected both to the input of the position evaluation device 15 and to the input of the speed evaluation device 16. position 15 is connected both to the second input of the first differential member 1 and to the second input of the second differential member 3. The output of the speed evaluation device 16 is connected to the second input of the controller 8. To the first input of the first differential In the second alternative, the left half-space 19 and the right half-space 20 are hydraulically connected to the first and second inputs of the pressure differential evaluation device 17, the electrical output of which is connected to the third In addition to the illustrated connection example for a hydraulic actuator in the form of a hydraulic cylinder, the same connection can be used, for example, for a rotary vane motor.

Způsob činnosti celého zařízení znázorněného na obr. 1 vyplývá z vlastností jednotlivých zpětnovazebních smyček tohoto elektrohydraulického polohového servomechanismu. Tlaková zpětná vazba realizovaná působením hydraulického odporu 11 zvyšuje tlumení hydraulického' pohonu. Hydraulický pohon s vyšším tlumením umožňuje zavedení proporcionální rychlostní vazby zpětné tvořené členy 9, 14, 16, 8. Rychlostní zpětná vazba zvyšuje vlastní frekvenci hydraulického pohonu a tím i jeho' dynamickou tuhost. Hydraulický pohon, jehož dynamické vlastnosti jsou upraveny působením rychlostní zpětné vazby, je zapojen do zdvojené zpětnovazební smyčky, tvořené zapojením podle vynálezu, jejíž číslicově regulační obvody s proporcionálně integračním přenosem jsou tvořeny prvním diferenčním členem 1, číslicovým integračním členem 2, druhým diferenčním členem 3, prvním číslicově analogovým převodníkem 4, druhým číslicově analogovým převodníkem 5 a váhovým sčítacím obvodem 6. V druhé alternativě zapojení podle vynálezu je zpětnovazební tlaková smyčka realizována vyhodnocovacím zařízením tlakové diference 17 a regulátorem 8.The mode of operation of the whole device shown in FIG. 1 results from the characteristics of the individual feedback loops of this electrohydraulic position servo mechanism. The pressure feedback provided by the hydraulic resistance 11 increases the damping of the hydraulic drive. The hydraulic drive with higher damping allows the introduction of a proportional feedback speed formed by the members 9, 14, 16, 8. The speed feedback increases the natural frequency of the hydraulic drive and hence its dynamic stiffness. The hydraulic drive, whose dynamic properties are adjusted by the speed feedback, is connected to a double feedback loop formed by the circuit according to the invention, whose digital control circuits with proportional integration transfer consist of the first differential member 1, the digital integration member 2, the second differential member 3, The first digital-to-analog converter 4, the second digital-to-analog converter 5, and the weighting add-on circuit 6. In a second wiring alternative according to the invention, the feedback pressure loop is realized by a differential pressure evaluation device 17 and a controller 8.

Zapojení podle vynálezu lze s velmi dobrými výsledky použít v pohonech posuvů číslicově řízených obráběcích strojů, v oblasti průmyslových robotů a manipulátorů a dále všude tam, kde je třeba přesně řídit rychlost a polohu některé části daného výrobního stroje nebo zařízení, jestliže jako hydraulický akční člen je použit hydraulický válec nebo natáčivý křídlový hydromotor.The circuit according to the invention can be used with very good results in feed drives of numerically controlled machine tools, in the field of industrial robots and manipulators, and wherever it is necessary to precisely control the speed and position of any part of the production machine or equipment if hydraulic cylinder or rotary vane motor.

Claims

1. Connection of an electrohydraulic position servo mechanism with active improvement of dynamic parameters, equipped with digital control circuits, two position and one speed feedback, the controlled part of the machine is firmly connected to the movable part of the hydraulic actuator and the movable part of the position measuring device, a hydraulic actuator and a stationary part of the position measuring device are connected to a stationary part of the machine, characterized in that the output of the first differential member (1) is connected both to the input of the digital integrator (2) and to the input of the first digital analogue converter (4) wherein the output of the digital integrator (2) is coupled to the first input of the second differential member (3), the output of which is coupled to the input of the second digital-analog converter (5), the output of which is coupled to a second input of the weighing circuit (6) to the first input of which the output of the first digital-to-analog converter [4] is connected, the output of the weighing circuit (6) to the input of the frequency correction circuit (7) a regulator inlet (8) whose output is coupled to an electrical INLET of a hydraulic control valve (10), in which a pressure medium input (21) is connected, and which is hydraulically coupled to both the left half-space (19) and the right half-space (20) ), comprising a partition (18) and a body of the hydraulic actuator (12), the left half-space (19) and the right half-space (20) being connected by a hydraulic resistor (11), the outlet of the stationary part of the metering device (14) connected to the input of the position evaluation device (15), and to the input of the speed evaluation device (16), the output of the evaluation device to the positioning device The position control (15) is connected to the second input of the first differential member (1), to the second input of the second differential member (3), and the output of the speed evaluation device (16) is connected to the second input of the controller (8). the output of the control device (22) is coupled to the first differential member (1).

Connection according to Claim 1, characterized in that the left half-space (19) and the right half-space (20) are hydraulically connected to the first and second inputs of the differential pressure evaluation device (17), the electrical output of which is connected to the third input of the controller (8). .