一种液压缸位移数字伺服控制系统及控制方法与流程

本发明属于机械精度控制技术领域，涉及一种液压缸位移电液伺服控制，更具体地说，是涉及一种采用数字控制计算机实现的具有强抗负载扰动的阀控液压缸位移数字伺服控制系统及控制方法。

背景技术：

目前，液压缸位移的精确控制必须采用闭环反馈控制方式才能获得较好的控制精度，传统的控制方法是在前向通道中对输入、输出之间的误差信号进行比例控制(P控制)、比例加积分控制(PI控制)、比例加积分加微分控制(PID控制)运算以产生位移控制信号，从而为液压缸位移控制提供精确调节。

在上述控制方法中前向通道内对误差的运算，是对输入信号和反馈信号同时进行的。事实上，由于对误差的P、I、D运算，也产生了对输入信号的强迫运算，使控制系统出现多个强迫项，这样，电液伺服系统的输出就不能快速精确复现位移指令信号，但是为了使系统成为无差系统，在这些强迫项中积分运算却是必不可少的。另外，为全面提升位移电液伺服系统的综合性能，在反馈位移信号的同时，速度和加速度等状态变量的反馈显得十分必要。由于有多个状态变量的反馈，系统出现了多个控制参数，在控制参数的设计中需要遵循以下两条规则：1、在线性范围内位移信号输入达到最大值时，伺服放大器达到其最大输出能力，也就是说伺服放大器应得到充分利用；2、闭环系统的等效阻尼比为1。这两条规则是传统的在前向通道施加PID控制由于其控制结构的限制而无法兼顾的。规则1是为了实现系统响应的快速性，规则2是为保证系统响应无超调。另外，由于反馈了速度和加速度等状态变量，系统可以对任何负载变化引起的状态变化作出快速预测，这样设计出的液压缸位移电液伺服系统才能快、无超调且具有极强的抗负载扰动能力。显然，状态变量反馈越多，系统势必越复杂，但在微电子技术和计算机技术快速发展的今天，这些已不成为问题。

随着各种机械设备对综合性能要求的提高，对液压缸位移电液伺服系统性能提出了越来越高的要求。当今广泛使用的一般反馈控制方法已不能满足要求，采用新的控制手段是进一步提高液压缸位移电液伺服系统性能所要解决的问题所在。

技术实现要素：

本发明的目的是针对上述现有技术中存在的问题，提供一种既快又稳的液压缸位移伺服系统及控制方法。

为了实现上述目的，本发明采用的技术方案是：

一种液压缸位移数字伺服控制系统，包括数字控制计算机、数/模转换模块、伺服放大器、伺服对象、液压源、光电编码器和高速计数器模块；其中所述伺服对象由电液伺服阀的输出端串接液压缸后再串接机械负载构成，所述数字控制计算机的输出端依次串接所述数/模转换模块、伺服放大器后接所述电液伺服阀的输入端，所述电液伺服阀还与所述液压源连接，所述机械负载的输出端依次串接所述光电编码器和高速计数器模块后接所述数字控制计算机的输入端。

为了达到上述目的，本发明采用的另一技术方案是：

一种液压缸位移数字伺服控制系统的控制方法，包括如下步骤：

(1)数字控制计算机对程序中设置的积分器进行初始化，积分器清零；

(2)在数字控制计算机中输入位移数字量指令信号值；

(3)高速计数器模块采集由光电编码器传送过来的机械负载位移数字量反馈信号并传输给数字控制计算机；

(4)数字控制计算机对输入位移数字量指令信号和机械负载位移数字量反馈信号取误差；

(5)数字控制计算机对误差信号进行累加积分，得到一次累加积分结果；

(6)数字控制计算机对一次累加积分结果乘以一次积分系数K_i1，得到一次乘法运算结果；

(7)数字控制计算机对机械负载位移数字量反馈信号乘以一次反馈系数K_f1，得到二次乘法运算结果；

(8)数字控制计算机对一次乘法运算结果和二次乘法运算结果进行减法运算，得到一次减法运算结果；

(9)数字控制计算机对机械负载位移数字量反馈信号进行差分运算，得到一次差分运算结果；

(10)数字控制计算机对一次减法运算结果和一次差分运算结果进行减法运算，得到二次减法运算结果；

(11)数字控制计算机对二次减法运算结果进行累加积分，得到二次累加积分结果；

(12)数字控制计算机对二次累加积分结果乘以二次积分系数K_i2，得到三次乘法运算结果；

(13)数字控制计算机对一次差分运算结果乘以二次反馈系数K_f2，得到四次乘法运算结果；

(14)数字控制计算机对三次乘法运算结果和四次乘法运算结果进行减法运算，得到三次减法运算结果；

(15)数字控制计算机对一次差分运算结果进行差分运算，得到二次差分运算结果；

(16)数字控制计算机对三次减法运算结果和二次差分运算结果进行减法运算，得到四次减法运算结果；

(17)数字控制计算机对四次减法运算结果进行累加积分，得到三次累加积分结果；

(18)数字控制计算机对三次累加积分结果乘以三次积分系数K_i3，得到五次乘法运算结果；

(19)数/模转换模块将五次乘法运算结果进行数/模转换，得到模拟量控制信号，同时返回到步骤(2)；

(20)数/模转换模块将模拟量控制信号输入到伺服放大器进行信号放大后驱动电液伺服阀以带动液压缸及机械负载运动。

上述所述一次积分系数K_i1、二次积分系数K_i2、三次积分系数K_i3、一次反馈系数K_f1、二次反馈系数K_f2分别根据下列公式进行计算，作为其初始整定值：

$K_{i1}=1.343\frac{M_{max}}{{\mathrm{Jr}}_{0,ml}}$

$K_{i2}=40.640\frac{M_{max}}{{\mathrm{Jr}}_{0,ml}}$

$K_{i3}=17.451\sqrt{\frac{{\mathrm{JM}}_{max}}{r_{0,ml}}}$

$K_{f1}=2.318\sqrt{\frac{M_{max}}{{\mathrm{Jr}}_{0,ml}}}$

$K_{f2}=12.751\sqrt{\frac{M_{max}}{{\mathrm{Jr}}_{0,ml}}}-B$

式中：J为伺服对象等效惯量；B为伺服对象等效阻尼系数；M_max为伺服放大器在线性范围内能够输的最大电压；r_0,ml为线性范围内位移输入的最大值。

本发明的优点和有益效果是：

(1)本发明的电液伺服系统只使用一个光电编码器就实现了伺服对象位移、速度和加速度等状态变量的反馈，构造简单，节约成本，简化安装。

(2)本发明的控制参数的调整有计算公式可循，只要通过参数辨识方法辨识出伺服对象的等效转动惯量和等效阻尼系数，就可以依据公式很快地调试出控制参数，节省时间。

(3)本发明的控制参数的设计使得闭环系统的阻尼变成临界阻尼，提高了系统的稳定性并避免了超调现象的出现，并充分考虑伺服放大器在线性范围内的极限输出能力，使得系统的响应能力得到最大体现，响应速度大大提高，且由于反馈了位移、速度、加速度等状态变量，使得系统特性极硬，具有极强的抗负载扰动能力。

附图说明

图1是本发明实施例的液压缸位移数字伺服控制系统的构成方框图；

图2是本发明实施例的液压缸位移数字伺服控制方法的流程图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步的详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用于解释本发明，并不用于限定本发明。

如图1所示是本发明实施例的液压缸位移数字伺服控制系统。该控制系统由数字控制计算机110、数/模转换模块120、伺服放大器130、伺服对象140、液压源150、光电编码器160和高速计数器模块170组成；其中所述伺服对象140由电液伺服阀141的输出端依次串接液压缸142、机械负载142构成，所述数字控制计算机110的输出端依次串接所述数/模转换模块120、伺服放大器130后接所述电液伺服阀141的输入端，所述电液伺服阀141还与所述液压源150连接，所述机械负载143的输出端依次串接所述光电编码器160和高速计数器模块170后接所述数字控制计算机110的输入端。

如图2所示是本发明实施例的液压缸位移数字伺服控制方法，结合图1，所述控制方法步骤如下：

(1)步骤11、数字控制计算机110对程序中设置的积分器进行初始化，积分器清零，即INT1＝0，INT2＝0，INT3＝0；

(2)步骤12、在数字控制计算机110中输入位移数字量指令信号值θR；

(3)步骤13、高速计数器模块170采集由光电编码器160传送过来的机械负载143位移数字量反馈信号θF并传输给数字控制计算110；

(4)步骤14、数字控制计算机110对输入位移数字量指令信号θR和机械负载143位移数字量反馈信号θF取误差ER＝θR-θF；

(5)步骤15、数字控制计算机110对误差信号ER进行累加积分，得到一次累加积分结果INT1＝INT1+ER；

(6)步骤16、数字控制计算机110对一次累加积分结果INT1乘以一次积分系数K_i1，得到一次乘法运算结果M1＝INT1×K_i1；

(7)步骤17、数字控制计算机110对机械负载143位移数字量反馈信号θF乘以一次反馈系数K_f1，得到二次乘法运算结果M2＝θF×K_f1；

(8)步骤18、数字控制计算机110对一次乘法运算结果M1和二次乘法运算结果M2进行减法运算，得到一次减法运算结果S1＝M1-M2；

(9)步骤19、数字控制计算机110对机械负载143位移数字量反馈信号θF进行差分运算，得到一次差分运算结果D1＝ΔθF/ΔT；

(10)步骤20、数字控制计算机110对一次减法运算结果S1和一次差分运算结果D1进行减法运算，得到二次减法运算结果S2＝S1-D1；

(11)步骤21、数字控制计算机110对二次减法运算结果S2进行累加积分，得到二次累加积分结果INT2＝INT2+S2；

(12)步骤22、数字控制计算机110对二次累加积分结果INT2乘以二次积分系数K_i2，得到三次乘法运算结果M3＝INT2×K_i2；

(13)步骤23、数字控制计算机110对一次差分运算结果D1乘以二次反馈系数K_f2，得到四次乘法运算结果M4＝D1×K_f2；

(14)步骤24、数字控制计算机110对三次乘法运算结果M3和四次乘法运算结果M4进行减法运算，得到三次减法运算结果S3＝M3-M4；

(15)步骤25、数字控制计算机110对一次差分运算结果D1进行差分运算，得到二次差分运算结果D2＝ΔD1/ΔT；

(16)步骤26、数字控制计算机110对三次减法运算结果S3和二次差分运算结果D2进行减法运算，得到四次减法运算结果S4＝S3-D2；

(17)步骤27、数字控制计算机110对四次减法运算结果S4进行累加积分，得到三次累加积分结果INT3＝INT3+S4；

(18)步骤28、数字控制计算机110对三次累加积分结果INT3乘以三次积分系数K_i3，得到五次乘法运算结果M5＝INT3×K_i3；

(19)步骤29、数/模转换模块120将五次乘法运算结果M5进行数/模转换，得到模拟量控制信号，同时返回到步骤(2)；

(20)步骤30、数/模转换模块120将模拟量控制信号输入到伺服放大器130进行信号放大后驱动电液伺服阀141以带动液压缸142及机械负载143运动。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式。当然，本发明还可有其它多种实施例，在不背离本发明精神及其实质的情况下，任何熟悉本技术领域的技术人员，当可根据本发明作出各种相应的等效改变和变形，都应属于本发明所附的权利要求的保护范围。