专利名称：电液线位移伺服系统中伺服控制器控制参数的确定方法
技术领域：
本发明涉及一种电液伺服系统，特别涉及一种阀控液压缸线位移伺服系统中伺服控制器的控制参数确定方法。
背景技术：
电液伺服系统中，电液线位移伺服在一些机械装备中是经常遇到的，如机械臂的伸缩，加工设备的进给运动，自动化生产线中工件的传送等。电液线位移伺服系统中，电液伺服的变量是机械负载运动的线位移。为了获得优良的线位移伺服性能，电液线位移伺服系统必须采用闭环控制。也就是说，机械装备中运动部件的线位移必须经检测传感器反馈到电液伺服系统输入端，与线位移指令信号进行比较产生误差信号，然后再由伺服控制器对误差信号进行控制运算后发出控制信号，对运动部件的线位移实施校正。对于误差的控制运算目前广泛使用的是乘以常数，对其积分，微分或几种运算的组合，即比例控制⑵，比例加积分控制(PI)，比例加积分加微分控制(PID)。前向控制回路中对误差每增加一种运算，事实上对线速度指令信号和反馈信号同时增加了控制运算。对线速度指令信号的每一种运算就相当于在电液伺服系统的微分方程的右边增加一个强迫项，使控制系统出现多个强迫项。这样，电液伺服系统输出就不能精确复现线速度指令信号。因此，一般的PID反馈控制方法线速度动态跟踪精度差，对阶跃输入的指令信号其输出存在超调和振荡现象。随着各种机械设备的运行精度、响应速度以及自动化程度的提高，对电液线位移伺服性能提出了越来越高的要求。当今广泛使用的PID反馈控制方法已不能满足要求，采用新的电液伺服系统和伺服控制方法是进一步提高电液伺服性能所要解决的问题之一。目前，电液线位移伺服系统公知的现有技术中的伺服控制器，其控制参数并不是根据伺服对象的参数进行确定，而是直接采用试凑法或经验法确定伺服控制器的控制参数。这就造成伺服控制器的控制参数确定比较盲目，电液线位移伺服系统的调试费时费力， 线位移伺服性能难以满足工程要求。因此，电液线位移伺服系统设计和调试时，如何根据伺服对象的特性参数确定合适的控制参数，则是现有技术中有待解决的另一个问题。
发明内容
本发明的目的是为进一步提高电液伺服系统的性能，克服上述现有技术中存在的问题和缺陷，提供一种新颖的电液线位移伺服系统中伺服控制器控制参数的确定方法。本发明所基于的电液线位移伺服系统由线位移指令信号发生器、伺服控制器、功率放大器、伺服对象、线位移检测传感器和液压源组成；所述伺服控制器由比较器、智能积分器、积分系数Ki乘法器、第一减法器、第二减法器、反馈系数Kf乘法器、微分系数Kd乘法器和微分器组成，比较器、智能积分器、积分系数Ki乘法器、第一减法器和第二减法器按顺序连接，比较器还分别与线位移指令信号发生器和线位移检测传感器连接，第一减法器通过反馈系数Kf乘法器与线位移检测传感器连接，第二减法器通过微分系数Kd乘法器以及微分器与线位移检测传感器连接；所述伺服对象包含电液伺服阀、液压缸和机械负载，所述电液伺服阀、液压缸和机械负载按顺序连接，电液伺服阀还与功率放大器连接，机械负载还与线位移检测传感器连接，电液伺服阀和液压缸还分别与液压源连接。由于上述伺服控制器与众不同的结构形式，在前向回路中对误差信号实施智能积分运算和乘法运算，在反馈回路中不仅实现了线位移反馈，而且在不需要线速度检测传感器和线加速度检测传感器的情况下实现了线速度和线加速度的反馈。也就是说，不仅实现了伺服变量线位移信号的反馈，而且还实现了伺服变量其它两个状态信息的反馈。电液线位移伺服系统的性能不仅与伺服控制器的结构形式密切相关，而且还受到伺服控制器中积分系数Ki、反馈系数Kf和微分系数Kd这三个控制参数大小的影响。只有准确地确定这三个控制参数的大小，才能获得优良的线位移伺服控制性能。要准确地确定这三个控制参数的大小，首先要对伺服对象的参数进行定量识别。“知己知彼，方能百战百胜”，只有在伺服对象参数定量识别的基础上，才能准确确定伺服控制器的控制参数。为了达到上述的发明目的，本发明实现目的所采用的技术方案是一种电液线位移伺服系统中伺服控制器控制参数的确定方法，包括以下步骤(1)构建电液线位移伺服系统中伺服对象的参数识别装置，该装置包括阶跃电压信号发生器、伺服对象、线位移检测传感器、记录仪器以及液压源，其中所述伺服对象还包括电液伺服阀、液压缸和机械负载，所述阶跃电压信号发生器、电液伺服阀、液压缸、机械负载、线位移检测传感器和记录仪器按顺序连接；所述阶跃电压信号发生器还与所述记录仪器连接；所述液压源分别与所述电液伺服阀和所述液压缸连接；(2)将幅值为某一定值的阶跃电压信号输入到电液伺服阀，通过液压源驱动液压缸以及所带机械负载进行线性运动，由线位移检测传感器检测其运动的线位移信号；(3)用记录仪器将所述的阶跃电压信号和线位移信号随时间变化过程记录下来， 直至线位移信号进入直线上升阶段；(4)沿线位移信号的直线上升阶段作第一条直线；(5)测量所述第一条直线的斜率；(6)将所述阶跃电压信号幅值除以所述第一条直线的斜率，得到电液线位移伺服系统中伺服对象的等效粘性阻尼系数；(7)采用第一条直线相同的斜率，过坐标原点作第二条直线；(8)在横坐标上的同一时间读出这两条直线的纵坐标之差值；(9)将所述差值乘以等效粘性阻尼系数的平方，所得乘积再除以阶跃电流信号幅值，得到电液线位移伺服系统中伺服对象等效质量；(10)根据所选电液伺服阀的最大输出流量确定与其对应的最大输入电压；(11)根据线位移的实际要求和线位移检测传感器的允许范围，设定线位移指令信号的最大值；(12)将电液伺服阀最大输入电压除以线位移指令信号的最大值，所得之商乘以所得之商的平方根，所得之积乘以等效质量倒数的平方根然后再乘以二倍，得到伺服控制器的积分系数Ki;(13)将电液伺服阀最大输入电压除以线位移指令信号的最大值，所得之商乘以三倍，得到伺服控制器中的反馈系数Kf ；
(14)将电液伺服阀最大输入电压乘以等效质量再除以线位移指令信号的最大值， 所得之商的平方根再乘以一倍半，再减去等效粘性阻尼系数，得到伺服控制器中的微分系数Kd。其中，步骤⑵所述的幅值为电液伺服阀的额定值。本发明与现有技术相比所具有的优点和有益效果是(1)本发明所述电液伺服控制器在前向回路中对误差信号实施智能积分运算以及与积分系数的乘法运算。在反馈回路中不仅实现了伺服变量线位移的反馈，而且实现了伺服变量线位移的变化率——线速度以及线速度的变化率——线加速度的反馈。因此，本发明的电液伺服系统不仅具有伺服变量本身状态信息的反馈，而且具有伺服变量其它两个状态信息的反馈，总共实现了伺服变量三种状态信息的反馈。而一般电液线位移伺服系统仅能实现伺服变量的一种状态信息反馈。(2)该电液线位移伺服系统中采用线位移检测传感器实现线位移信号的反馈，但是，并没有采用任何线速度检测传感器和线加速度检测传感器，却实现了线速度和线加速度信号的反馈。也就是说，只采用了一种检测传感器实现了伺服变量三种状态信息的反馈， 在工程实施中不仅方便易行，而且节省成本。(3)伺服控制器的控制参数调整是建立在对伺服对象参数定量识别的基础上，使电液线位移伺服系统的控制参数设计有的放矢，减少伺服系统调整的盲目性，提高工作效率。(4)由于该伺服控制器与众不同的结构形式以及控制参数针对性的调整，提高了电液线位移伺服系统的静态和动态性能。静态精度可以达到无静差，动态时对于线位移指令信号的阶跃瞬时突变，其响应时间缩短且无超调和振荡，动态跟踪精度高；对于外界环境的干扰和机械负载本身参数的变化，电液线位移伺服系统的伺服性能变化不敏感。
图1是本发明实施例的电液线位移伺服系统构成方框图；图2是本发明实施例的电液线位移伺服对象参数识别装置构成方框图；图3是本发明实施例的伺服对象参数识别时对于阶跃信号输入时的线位移信号图；图4是本发明实施例的电液线位移伺服系统中伺服控制器控制参数的调整方法流程图。
具体实施例方式为了加深对本发明的理解，下面结合图1、2、3和4对本发明作进一步的详细叙述， 该实施例仅用于解释本发明，并不构成对本发明保护范围的限定。图1是本发明实施例的电液线位移伺服系统构成方框图。该电液线位移伺服系统由线位移指令信号发生器110、伺服控制器120、功率放大器130、伺服对象140、线位移检测传感器150和液压源160组成；所述伺服控制器120由比较器121、智能积分器122、积分系数&乘法器123、第一减法器124、第二减法器125、反馈系数Kf乘法器126、微分系数Kd乘法器127和微分器1 组成，所述比较器121、智能积分器122、积分系数Ki乘法器123、第一减法器IM和第二减法器125按顺序连接，比较器121还分别与线位移指令信号发生器 110和线位移检测传感器150连接，所述第一减法器IM通过反馈系数Kf乘法器1 与线位移检测传感器150连接，第二减法器125通过微分系数Kd乘法器127和微分器1 与线位移检测传感器150连接，第二减法器125还与功率放大器130连接；所述伺服对象140包含电液伺服阀141、液压缸142和机械负载143，所述电液伺服阀141、液压缸142和机械负载143按顺序连接，电液伺服阀141还与功率放大器130连接，机械负载143还与线位移检测传感器150连接，其运动线位移检测后反馈到输入端，此外，电液伺服阀141和液压缸142 还分别与液压源160连接。当线位移指令信号发生器110给出线位移信号后，比较器121将其与线位移检测传感器150反馈回来的机械负载的实际线位移信号进行比较，产生的误差信号首先由智能积分器122进行智能积分运算，然后再由积分系数Ki乘法器123乘以积分系数Ki,这时产生的信号与线位移检测传感器150经反馈系数Kf乘法器1 运算后的信号相减，在此实际上实现了线位移信号的变化率——线速度信号的反馈，然后产生的差值与线位移检测传感器150经微分系数Kd乘法器127和微分器1 运算后的信号再次相减，在此实际上实现了线速度信号的变化率——线加速度信号的反馈。因此，本发明的电液线位移伺服系统比公知的反馈系统实现更多的伺服变量状态信息的反馈，不仅具有线位移信号的反馈，而且具有线速度和线加速度信号的反馈，伺服性能可大幅度提高。另一个巧妙之处在于，这里既没有采用线速度检测传感器，也没有采用线加速度检测传感器，但是在控制功能上却实现了线速度和线加速度信号的反馈，对于工程实施，方便易行，具有十分重要的意义。伺服控制器输出的控制信号经功率放大器130放大后输入到电液伺服阀141，经过电液转换变成液压系统的流量信号，控制液压缸142的流量大小和方向，对机械负载的运动线位移进行伺服。当然，电液线位移伺服系统的性能还与积分系数K”反馈系数Kf和微分系数Kd这三个控制参数的大小密切相关。只要准确地确定这三个控制参数的大小，就能使电液线位移伺服系统获得优良的动态性能和静态性能。要准确地确定这三个控制参数的大小，首先要对伺服对象的参数进行定量识别。“知己知彼，方能百战百胜”，只有在伺服对象参数定量识别的基础上，才能对伺服控制器的控制参数准确确定。本发明的电液线位移伺服系统中伺服控制器控制参数的确定方法，包括以下步骤(1)构建如图2所示的电液线位移伺服系统中伺服对象的参数识别装置，该装置由阶跃电压信号发生器170、伺服对象140、线位移检测传感器150、记录仪器180以及液压源160组成，所述伺服对象140包括电液伺服阀141、液压缸142和机械负载143，所述阶跃电压信号发生器170、电液伺服阀141、液压缸142、机械负载143、线位移检测传感器150和记录仪器180按顺序连接；所述阶跃电压信号发生器170还与记录仪器180连接；所述液压源160分别与电液伺服阀141和液压缸142连接；(2)由阶跃电压信号发生器170将幅值为Vm(幅值大小根据电液伺服阀的规格而定)的阶跃电压信号V(t)输入到电液伺服阀141，通过液压源驱动液压缸142以及所带机械负载143进行直线运动，由线位移检测传感器150检测液压缸142及所带机械负载143 的线位移信号y(t)；
(3)用记录仪器将输入的阶跃电压信号V(t)和输出的线位移信号y(t)随时间变化过程记录下来，见附图3，所述线位移信号包含起始段的曲线部分1和后续的直线上升部分2;(4)沿所述线位移信号的直线上升部分2作第一条直线No. 1 ；(5)测量所述第一条直线的斜率K ；(6)将所述阶跃电压信号幅值Vm除以所述第一条直线的斜率K，得到电液线位移伺服对象的等效粘性阻尼系数~；(7)采用第一条直线相同的斜率K，过坐标原点作第二条直线No. 2 ；(8)在横坐标上的同一时间读出这两条直线的纵坐标之差值L ；(9)将所述差值L乘以等效粘性阻尼系数~的平方，所得乘积再除以阶跃电压信号幅值\’得到伺服对象的等效质量md ；(10)根据所选电液伺服阀的最大输出流量确定与其对应的最大输入电压Mmax ；(11)根据线位移的实际要求和线位移检测传感器的允许范围，设定线位移指令信号的最大值Rml;(12)将电液伺服阀最大输入电压Mmax除以线位移指令信号的最大值Rml，所得之商乘以所得之商的平方根，所得之积乘以等效质量倒数的平方根然后再乘以二倍，得到伺服控制器的积分系数Ki;(13)将电液伺服阀最大输入电压Mmax除以线位移指令信号的最大值Rml，所得之商乘以三倍，得到伺服控制器中的反馈系数Kf ；(14)将电液伺服阀最大输入电压Mmax乘以等效质量md再除以线位移指令信号的最大值Rml，所得之商的平方根再乘以一倍半，再减去等效粘性阻尼系数~，得到伺服控制器中的微分系数Kd。电液线位移伺服系统中伺服控制器控制参数的调整方法流程图见图4，由上述步骤可见，电液线位移伺服系统设计时，首先将伺服对象的等效粘性阻尼系数~和等效质量 md识别出来，然后就可根据所选电液伺服阀的最大输入电压Mmax和线位移指令信号的最大值Rml这两个限度条件，确定伺服控制器中的控制参数即积分系数K”反馈系数Kf和微分系数Kd这三个控制参数与他们之间的定量关系，具体实施时再略作确定。实践证明，本发明所述方法在电液线位移伺服系统设计和调试中不仅可以节省精力和时间，而且可使伺服系统获得良好的静态性能和动态性能。对于线位移指令信号的瞬时突变，动态响应时间减少且无超调和振荡；增强了抵抗外界干扰和机械负载本身变化的能力。
权利要求
1.一种电液线位移伺服系统中伺服控制器控制参数的确定方法，其特征在于包括如下步骤(1)构建电液线位移伺服系统中伺服对象的参数识别装置，该装置包括阶跃电压信号发生器、伺服对象、线位移检测传感器、记录仪器以及液压源，其中所述伺服对象还包括电液伺服阀、液压缸和机械负载，所述阶跃电压信号发生器、电液伺服阀、液压缸、机械负载、 线位移检测传感器和记录仪器按顺序连接；所述阶跃电压信号发生器还与所述记录仪器连接；所述液压源分别与所述电液伺服阀和所述液压缸连接；(2)将幅值为某一定值的阶跃电压信号输入到电液伺服阀，通过液压源驱动液压缸以及所带机械负载进行线性运动，由线位移检测传感器检测其运动的线位移信号；(3)用记录仪器将所述的阶跃电压信号和线位移信号随时间变化过程记录下来，直至线位移信号进入直线上升阶段；(4)沿线位移信号的直线上升阶段作第一条直线；(5)测量所述第一条直线的斜率；(6)将所述阶跃电压信号幅值除以所述第一条直线的斜率，得到电液线位移伺服系统中伺服对象的等效粘性阻尼系数；(7)采用第一条直线相同的斜率，过坐标原点作第二条直线；(8)在横坐标上的同一时间读出这两条直线的纵坐标之差值；(9)将所述差值乘以等效粘性阻尼系数的平方，所得乘积再除以阶跃电流信号幅值，得到电液线位移伺服系统中伺服对象等效质量；(10)根据所选电液伺服阀的最大输出流量确定与其对应的最大输入电压；(11)根据线位移的实际要求和线位移检测传感器的允许范围，设定线位移指令信号的最大值；(12)将电液伺服阀最大输入电压除以线位移指令信号的最大值，所得之商乘以所得之商的平方根，所得之积乘以等效质量倒数的平方根然后再乘以二倍，得到伺服控制器的积分系数Ki;(13)将电液伺服阀最大输入电压除以线位移指令信号的最大值，所得之商乘以三倍， 得到伺服控制器中的反馈系数Kf ；(14)将电液伺服阀最大输入电压乘以等效质量再除以线位移指令信号的最大值，所得之商的平方根再乘以一倍半，再减去等效粘性阻尼系数，得到伺服控制器中的微分系数Kd。
2.根据权利要求1所述的电液线位移伺服系统中伺服控制器控制参数的确定方法，其特征在于，步骤(2)所述的幅值为电液伺服阀的额定值。
全文摘要
本发明公开了一种电液线位移伺服系统中伺服控制器控制参数的确定方法，该方法所基于的伺服系统由线位移指令信号发生器、伺服控制器、伺服对象、线位移检测传感器组成；其中伺服控制器由比较器、智能积分器、积分系数乘法器、减法器和反馈系数乘法器组成。本发明的确定方法是采用阶跃响应法，根据两条直线的纵坐标之差值法将伺服对象的等效粘性阻尼系数和等效质量识别出来，由所选电液伺服阀的最大输出流量确定与其对应的最大输入电压，并由线位移的实际要求设定线位移指令信号的最大值，根据所述等效粘性阻尼系数、等效质量、最大输入电压以及线位移指令信号最大值，可以得到积分系数、反馈系数和微分系数的定量确定方法。
文档编号F16K31/12GK102563181SQ20121000470
公开日2012年7月11日 申请日期2012年1月10日 优先权日2012年1月10日
发明者曾文火, 朱鹏程 申请人:江苏科技大学