專利名稱：電液線位移伺服系統中伺服控制器控制參數的確定方法
技術領域：
本發明涉及一種電液伺服系統，特別涉及一種閥控液壓缸線位移伺服系統中伺服控制器的控制參數確定方法。
背景技術：
電液伺服系統中，電液線位移伺服在一些機械裝備中是經常遇到的，如機械臂的伸縮，加工設備的進給運動，自動化生產線中工件的傳送等。電液線位移伺服系統中，電液伺服的變量是機械負載運動的線位移。為了獲得優良的線位移伺服性能，電液線位移伺服系統必須采用閉環控制。也就是說，機械裝備中運動部件的線位移必須經檢測傳感器反饋到電液伺服系統輸入端，與線位移指令信號進行比較產生誤差信號，然后再由伺服控制器對誤差信號進行控制運算后發出控制信號，對運動部件的線位移實施校正。對于誤差的控制運算目前廣泛使用的是乘以常數，對其積分，微分或幾種運算的組合，即比例控制⑵，比例加積分控制(PI)，比例加積分加微分控制(PID)。前向控制回路中對誤差每增加一種運算，事實上對線速度指令信號和反饋信號同時增加了控制運算。對線速度指令信號的每一種運算就相當于在電液伺服系統的微分方程的右邊增加一個強迫項，使控制系統出現多個強迫項。這樣，電液伺服系統輸出就不能精確復現線速度指令信號。因此，一般的PID反饋控制方法線速度動態跟蹤精度差，對階躍輸入的指令信號其輸出存在超調和振蕩現象。隨著各種機械設備的運行精度、響應速度以及自動化程度的提高，對電液線位移伺服性能提出了越來越高的要求。當今廣泛使用的PID反饋控制方法已不能滿足要求，采用新的電液伺服系統和伺服控制方法是進一步提高電液伺服性能所要解決的問題之一。目前，電液線位移伺服系統公知的現有技術中的伺服控制器，其控制參數并不是根據伺服對象的參數進行確定，而是直接采用試湊法或經驗法確定伺服控制器的控制參數。這就造成伺服控制器的控制參數確定比較盲目，電液線位移伺服系統的調試費時費力， 線位移伺服性能難以滿足工程要求。因此，電液線位移伺服系統設計和調試時，如何根據伺服對象的特性參數確定合適的控制參數，則是現有技術中有待解決的另一個問題。

發明內容
本發明的目的是為進一步提高電液伺服系統的性能，克服上述現有技術中存在的問題和缺陷，提供一種新穎的電液線位移伺服系統中伺服控制器控制參數的確定方法。本發明所基于的電液線位移伺服系統由線位移指令信號發生器、伺服控制器、功率放大器、伺服對象、線位移檢測傳感器和液壓源組成；所述伺服控制器由比較器、智能積分器、積分系數Ki乘法器、第一減法器、第二減法器、反饋系數Kf乘法器、微分系數Kd乘法器和微分器組成，比較器、智能積分器、積分系數Ki乘法器、第一減法器和第二減法器按順序連接，比較器還分別與線位移指令信號發生器和線位移檢測傳感器連接，第一減法器通過反饋系數Kf乘法器與線位移檢測傳感器連接，第二減法器通過微分系數Kd乘法器以及微分器與線位移檢測傳感器連接；所述伺服對象包含電液伺服閥、液壓缸和機械負載，所述電液伺服閥、液壓缸和機械負載按順序連接，電液伺服閥還與功率放大器連接，機械負載還與線位移檢測傳感器連接，電液伺服閥和液壓缸還分別與液壓源連接。由于上述伺服控制器與眾不同的結構形式，在前向回路中對誤差信號實施智能積分運算和乘法運算，在反饋回路中不僅實現了線位移反饋，而且在不需要線速度檢測傳感器和線加速度檢測傳感器的情況下實現了線速度和線加速度的反饋。也就是說，不僅實現了伺服變量線位移信號的反饋，而且還實現了伺服變量其它兩個狀態信息的反饋。電液線位移伺服系統的性能不僅與伺服控制器的結構形式密切相關，而且還受到伺服控制器中積分系數Ki、反饋系數Kf和微分系數Kd這三個控制參數大小的影響。只有準確地確定這三個控制參數的大小，才能獲得優良的線位移伺服控制性能。要準確地確定這三個控制參數的大小，首先要對伺服對象的參數進行定量識別。“知己知彼，方能百戰百勝”，只有在伺服對象參數定量識別的基礎上，才能準確確定伺服控制器的控制參數。為了達到上述的發明目的，本發明實現目的所采用的技術方案是一種電液線位移伺服系統中伺服控制器控制參數的確定方法，包括以下步驟(1)構建電液線位移伺服系統中伺服對象的參數識別裝置，該裝置包括階躍電壓信號發生器、伺服對象、線位移檢測傳感器、記錄儀器以及液壓源，其中所述伺服對象還包括電液伺服閥、液壓缸和機械負載，所述階躍電壓信號發生器、電液伺服閥、液壓缸、機械負載、線位移檢測傳感器和記錄儀器按順序連接；所述階躍電壓信號發生器還與所述記錄儀器連接；所述液壓源分別與所述電液伺服閥和所述液壓缸連接；(2)將幅值為某一定值的階躍電壓信號輸入到電液伺服閥，通過液壓源驅動液壓缸以及所帶機械負載進行線性運動，由線位移檢測傳感器檢測其運動的線位移信號；(3)用記錄儀器將所述的階躍電壓信號和線位移信號隨時間變化過程記錄下來， 直至線位移信號進入直線上升階段；(4)沿線位移信號的直線上升階段作第一條直線；(5)測量所述第一條直線的斜率；(6)將所述階躍電壓信號幅值除以所述第一條直線的斜率，得到電液線位移伺服系統中伺服對象的等效粘性阻尼系數；(7)采用第一條直線相同的斜率，過坐標原點作第二條直線；(8)在橫坐標上的同一時間讀出這兩條直線的縱坐標之差值；(9)將所述差值乘以等效粘性阻尼系數的平方，所得乘積再除以階躍電流信號幅值，得到電液線位移伺服系統中伺服對象等效質量；(10)根據所選電液伺服閥的最大輸出流量確定與其對應的最大輸入電壓；(11)根據線位移的實際要求和線位移檢測傳感器的允許范圍，設定線位移指令信號的最大值；(12)將電液伺服閥最大輸入電壓除以線位移指令信號的最大值，所得之商乘以所得之商的平方根，所得之積乘以等效質量倒數的平方根然后再乘以二倍，得到伺服控制器的積分系數Ki;(13)將電液伺服閥最大輸入電壓除以線位移指令信號的最大值，所得之商乘以三倍，得到伺服控制器中的反饋系數Kf ；
(14)將電液伺服閥最大輸入電壓乘以等效質量再除以線位移指令信號的最大值， 所得之商的平方根再乘以一倍半，再減去等效粘性阻尼系數，得到伺服控制器中的微分系數Kd。其中，步驟⑵所述的幅值為電液伺服閥的額定值。本發明與現有技術相比所具有的優點和有益效果是(1)本發明所述電液伺服控制器在前向回路中對誤差信號實施智能積分運算以及與積分系數的乘法運算。在反饋回路中不僅實現了伺服變量線位移的反饋，而且實現了伺服變量線位移的變化率——線速度以及線速度的變化率——線加速度的反饋。因此，本發明的電液伺服系統不僅具有伺服變量本身狀態信息的反饋，而且具有伺服變量其它兩個狀態信息的反饋，總共實現了伺服變量三種狀態信息的反饋。而一般電液線位移伺服系統僅能實現伺服變量的一種狀態信息反饋。(2)該電液線位移伺服系統中采用線位移檢測傳感器實現線位移信號的反饋，但是，并沒有采用任何線速度檢測傳感器和線加速度檢測傳感器，卻實現了線速度和線加速度信號的反饋。也就是說，只采用了一種檢測傳感器實現了伺服變量三種狀態信息的反饋， 在工程實施中不僅方便易行，而且節省成本。(3)伺服控制器的控制參數調整是建立在對伺服對象參數定量識別的基礎上，使電液線位移伺服系統的控制參數設計有的放矢，減少伺服系統調整的盲目性，提高工作效率。(4)由于該伺服控制器與眾不同的結構形式以及控制參數針對性的調整，提高了電液線位移伺服系統的靜態和動態性能。靜態精度可以達到無靜差，動態時對于線位移指令信號的階躍瞬時突變，其響應時間縮短且無超調和振蕩，動態跟蹤精度高；對于外界環境的干擾和機械負載本身參數的變化，電液線位移伺服系統的伺服性能變化不敏感。


圖1是本發明實施例的電液線位移伺服系統構成方框圖；圖2是本發明實施例的電液線位移伺服對象參數識別裝置構成方框圖；圖3是本發明實施例的伺服對象參數識別時對于階躍信號輸入時的線位移信號圖；圖4是本發明實施例的電液線位移伺服系統中伺服控制器控制參數的調整方法流程圖。
具體實施例方式為了加深對本發明的理解，下面結合圖1、2、3和4對本發明作進一步的詳細敘述， 該實施例僅用于解釋本發明，并不構成對本發明保護范圍的限定。圖1是本發明實施例的電液線位移伺服系統構成方框圖。該電液線位移伺服系統由線位移指令信號發生器110、伺服控制器120、功率放大器130、伺服對象140、線位移檢測傳感器150和液壓源160組成；所述伺服控制器120由比較器121、智能積分器122、積分系數&乘法器123、第一減法器124、第二減法器125、反饋系數Kf乘法器126、微分系數Kd乘法器127和微分器1 組成，所述比較器121、智能積分器122、積分系數Ki乘法器123、第一減法器IM和第二減法器125按順序連接，比較器121還分別與線位移指令信號發生器 110和線位移檢測傳感器150連接，所述第一減法器IM通過反饋系數Kf乘法器1 與線位移檢測傳感器150連接，第二減法器125通過微分系數Kd乘法器127和微分器1 與線位移檢測傳感器150連接，第二減法器125還與功率放大器130連接；所述伺服對象140包含電液伺服閥141、液壓缸142和機械負載143，所述電液伺服閥141、液壓缸142和機械負載143按順序連接，電液伺服閥141還與功率放大器130連接，機械負載143還與線位移檢測傳感器150連接，其運動線位移檢測后反饋到輸入端，此外，電液伺服閥141和液壓缸142 還分別與液壓源160連接。當線位移指令信號發生器110給出線位移信號后，比較器121將其與線位移檢測傳感器150反饋回來的機械負載的實際線位移信號進行比較，產生的誤差信號首先由智能積分器122進行智能積分運算，然后再由積分系數Ki乘法器123乘以積分系數Ki,這時產生的信號與線位移檢測傳感器150經反饋系數Kf乘法器1 運算后的信號相減，在此實際上實現了線位移信號的變化率——線速度信號的反饋，然后產生的差值與線位移檢測傳感器150經微分系數Kd乘法器127和微分器1 運算后的信號再次相減，在此實際上實現了線速度信號的變化率——線加速度信號的反饋。因此，本發明的電液線位移伺服系統比公知的反饋系統實現更多的伺服變量狀態信息的反饋，不僅具有線位移信號的反饋，而且具有線速度和線加速度信號的反饋，伺服性能可大幅度提高。另一個巧妙之處在于，這里既沒有采用線速度檢測傳感器，也沒有采用線加速度檢測傳感器，但是在控制功能上卻實現了線速度和線加速度信號的反饋，對于工程實施，方便易行，具有十分重要的意義。伺服控制器輸出的控制信號經功率放大器130放大后輸入到電液伺服閥141，經過電液轉換變成液壓系統的流量信號，控制液壓缸142的流量大小和方向，對機械負載的運動線位移進行伺服。當然，電液線位移伺服系統的性能還與積分系數K”反饋系數Kf和微分系數Kd這三個控制參數的大小密切相關。只要準確地確定這三個控制參數的大小，就能使電液線位移伺服系統獲得優良的動態性能和靜態性能。要準確地確定這三個控制參數的大小，首先要對伺服對象的參數進行定量識別。“知己知彼，方能百戰百勝”，只有在伺服對象參數定量識別的基礎上，才能對伺服控制器的控制參數準確確定。本發明的電液線位移伺服系統中伺服控制器控制參數的確定方法，包括以下步驟(1)構建如圖2所示的電液線位移伺服系統中伺服對象的參數識別裝置，該裝置由階躍電壓信號發生器170、伺服對象140、線位移檢測傳感器150、記錄儀器180以及液壓源160組成，所述伺服對象140包括電液伺服閥141、液壓缸142和機械負載143，所述階躍電壓信號發生器170、電液伺服閥141、液壓缸142、機械負載143、線位移檢測傳感器150和記錄儀器180按順序連接；所述階躍電壓信號發生器170還與記錄儀器180連接；所述液壓源160分別與電液伺服閥141和液壓缸142連接；(2)由階躍電壓信號發生器170將幅值為Vm(幅值大小根據電液伺服閥的規格而定)的階躍電壓信號V(t)輸入到電液伺服閥141，通過液壓源驅動液壓缸142以及所帶機械負載143進行直線運動，由線位移檢測傳感器150檢測液壓缸142及所帶機械負載143 的線位移信號y(t)；
(3)用記錄儀器將輸入的階躍電壓信號V(t)和輸出的線位移信號y(t)隨時間變化過程記錄下來，見附圖3，所述線位移信號包含起始段的曲線部分1和后續的直線上升部分2;(4)沿所述線位移信號的直線上升部分2作第一條直線No. 1 ；(5)測量所述第一條直線的斜率K ；(6)將所述階躍電壓信號幅值Vm除以所述第一條直線的斜率K，得到電液線位移伺服對象的等效粘性阻尼系數~；(7)采用第一條直線相同的斜率K，過坐標原點作第二條直線No. 2 ；(8)在橫坐標上的同一時間讀出這兩條直線的縱坐標之差值L ；(9)將所述差值L乘以等效粘性阻尼系數~的平方，所得乘積再除以階躍電壓信號幅值\’得到伺服對象的等效質量md ；(10)根據所選電液伺服閥的最大輸出流量確定與其對應的最大輸入電壓Mmax ；(11)根據線位移的實際要求和線位移檢測傳感器的允許范圍，設定線位移指令信號的最大值Rml;(12)將電液伺服閥最大輸入電壓Mmax除以線位移指令信號的最大值Rml，所得之商乘以所得之商的平方根，所得之積乘以等效質量倒數的平方根然后再乘以二倍，得到伺服控制器的積分系數Ki;(13)將電液伺服閥最大輸入電壓Mmax除以線位移指令信號的最大值Rml，所得之商乘以三倍，得到伺服控制器中的反饋系數Kf ；(14)將電液伺服閥最大輸入電壓Mmax乘以等效質量md再除以線位移指令信號的最大值Rml，所得之商的平方根再乘以一倍半，再減去等效粘性阻尼系數~，得到伺服控制器中的微分系數Kd。電液線位移伺服系統中伺服控制器控制參數的調整方法流程圖見圖4，由上述步驟可見，電液線位移伺服系統設計時，首先將伺服對象的等效粘性阻尼系數~和等效質量 md識別出來，然后就可根據所選電液伺服閥的最大輸入電壓Mmax和線位移指令信號的最大值Rml這兩個限度條件，確定伺服控制器中的控制參數即積分系數K”反饋系數Kf和微分系數Kd這三個控制參數與他們之間的定量關系，具體實施時再略作確定。實踐證明，本發明所述方法在電液線位移伺服系統設計和調試中不僅可以節省精力和時間，而且可使伺服系統獲得良好的靜態性能和動態性能。對于線位移指令信號的瞬時突變，動態響應時間減少且無超調和振蕩；增強了抵抗外界干擾和機械負載本身變化的能力。
權利要求
1.一種電液線位移伺服系統中伺服控制器控制參數的確定方法，其特征在于包括如下步驟(1)構建電液線位移伺服系統中伺服對象的參數識別裝置，該裝置包括階躍電壓信號發生器、伺服對象、線位移檢測傳感器、記錄儀器以及液壓源，其中所述伺服對象還包括電液伺服閥、液壓缸和機械負載，所述階躍電壓信號發生器、電液伺服閥、液壓缸、機械負載、 線位移檢測傳感器和記錄儀器按順序連接；所述階躍電壓信號發生器還與所述記錄儀器連接；所述液壓源分別與所述電液伺服閥和所述液壓缸連接；(2)將幅值為某一定值的階躍電壓信號輸入到電液伺服閥，通過液壓源驅動液壓缸以及所帶機械負載進行線性運動，由線位移檢測傳感器檢測其運動的線位移信號；(3)用記錄儀器將所述的階躍電壓信號和線位移信號隨時間變化過程記錄下來，直至線位移信號進入直線上升階段；(4)沿線位移信號的直線上升階段作第一條直線；(5)測量所述第一條直線的斜率；(6)將所述階躍電壓信號幅值除以所述第一條直線的斜率，得到電液線位移伺服系統中伺服對象的等效粘性阻尼系數；(7)采用第一條直線相同的斜率，過坐標原點作第二條直線；(8)在橫坐標上的同一時間讀出這兩條直線的縱坐標之差值；(9)將所述差值乘以等效粘性阻尼系數的平方，所得乘積再除以階躍電流信號幅值，得到電液線位移伺服系統中伺服對象等效質量；(10)根據所選電液伺服閥的最大輸出流量確定與其對應的最大輸入電壓；(11)根據線位移的實際要求和線位移檢測傳感器的允許范圍，設定線位移指令信號的最大值；(12)將電液伺服閥最大輸入電壓除以線位移指令信號的最大值，所得之商乘以所得之商的平方根，所得之積乘以等效質量倒數的平方根然后再乘以二倍，得到伺服控制器的積分系數Ki;(13)將電液伺服閥最大輸入電壓除以線位移指令信號的最大值，所得之商乘以三倍， 得到伺服控制器中的反饋系數Kf ；(14)將電液伺服閥最大輸入電壓乘以等效質量再除以線位移指令信號的最大值，所得之商的平方根再乘以一倍半，再減去等效粘性阻尼系數，得到伺服控制器中的微分系數Kd。
2.根據權利要求1所述的電液線位移伺服系統中伺服控制器控制參數的確定方法，其特征在于，步驟(2)所述的幅值為電液伺服閥的額定值。
全文摘要
本發明公開了一種電液線位移伺服系統中伺服控制器控制參數的確定方法，該方法所基于的伺服系統由線位移指令信號發生器、伺服控制器、伺服對象、線位移檢測傳感器組成；其中伺服控制器由比較器、智能積分器、積分系數乘法器、減法器和反饋系數乘法器組成。本發明的確定方法是采用階躍響應法，根據兩條直線的縱坐標之差值法將伺服對象的等效粘性阻尼系數和等效質量識別出來，由所選電液伺服閥的最大輸出流量確定與其對應的最大輸入電壓，并由線位移的實際要求設定線位移指令信號的最大值，根據所述等效粘性阻尼系數、等效質量、最大輸入電壓以及線位移指令信號最大值，可以得到積分系數、反饋系數和微分系數的定量確定方法。
文檔編號F16K31/12GK102563181SQ20121000470
公開日2012年7月11日 申請日期2012年1月10日 優先權日2012年1月10日
發明者曾文火, 朱鵬程 申請人:江蘇科技大學