二维优化电液伺服系统及其实现方法与流程

本发明涉及电气-液压混合设备技术领域，尤其是二维优化电液伺服系统及其实现方法。

背景技术

液压机的控制系统一般需要同时控制压力和流量两个物理量。传统的电液系统的人机操作界面工作在开环模式；然后通过模拟量通信方式把设定的压力p和流量q等指令发送到伺服系统。伺服系统根据实际工况实时切换压力和流量以跟随设定值的控制。伺服系统的跟随控制是闭环模式，即当控制压力时，伺服系统实时采集压力反馈信号与给定信号对比，进行误差控制；当要控制流量时，则采集电机的转速，把电机转速跟流量做等量映射，根据电机的反馈速度计算出当前流量，再与设定流量值比较，把误差作为控制器的调节输入进行控制，达到反馈值跟随设定值的目的。

从上述现有的电液系统控制模式可以得出以下的不足：

1)人机操作面板作为整个系统的“大脑”，指令信号(压力和流量)是单方向发送到伺服系统的，而伺服系统没有对测量值进行实时反馈，如果伺服系统受到干扰出现了执行误差，现有电液系统无法进行实时修正，因此无法保证过程变量的控制是严格按照给定的工艺设定值来执行的，不够可靠；另外，现有的基于模拟量的通讯方式，稳定性较差，不够实时；

2)电液系统在实际工程应用中(如注塑机、液压锻造机等)具有重复性，现有的液压伺服系统控制算法只考虑一个周期内的控制性能。而电液系统在不断的重复工作过程中，受到油温、环境等变化的影响，会出现周期间的生产要素变化。如果电液系统不能及时修正这些变化，则会影响产品质量及一致性，稳定性较差。

技术实现要素：

为解决上述技术问题，本发明的第一目的在于：提供一种实时、稳定且可靠的二维优化电液伺服系统。

本发明的第二目的在于：提供一种实时、稳定且可靠的二维优化电液伺服系统的实现方法。

本发明所采取的第一技术方案是：

二维优化电液伺服系统，包括：

人机操作面板，用于进行工艺参数设置、显示工艺参数的设定值和反馈值，以及根据反馈值来对输入参数进行实时修正；

伺服系统，用于根据设置的工艺参数，驱动电机运行；

泵，用于提供油路的油压；

压力传感器，用于检测液压油路的压力值；

所述人机操作面板通过工业现场总线或网络与伺服系统连接，所述伺服系统与泵连接，所述压力传感器的输入端连接泵的输出端，所述压力传感器的输出端连接伺服系统的输入端。

进一步，所述人机操作面板包括：

键盘，用于进行工艺参数设置；

显示屏，用于显示工艺参数的设定值和反馈值；

所述键盘的输出端分别连接显示屏的输入端和伺服系统的输入端，所述显示屏的输入端连接伺服系统的输出端。

进一步，还包括：

位移传感器，用于测量执行机构的位移；

所述位移传感器的输入端连接泵的输出端，所述位移传感器的输出端连接伺服系统的输入端。

本发明所采取的第二技术方案是：

二维优化电液伺服系统的实现方法，包括以下步骤：

通过人机操作面板将压力指令或流量指令发送到伺服系统；

伺服系统将压力反馈值或流量反馈值实时回传到人机操作面板；

根据系统的运行状态，对系统性能进行二维优化，所述二维优化包括系统运作周期内的性能优化和系统运作周期间的性能优化；

其中，所述人机操作面板通过工业现场总线或网络与伺服系统进行数据通讯。

进一步，所述伺服系统将流量反馈值实时回传到人机操作面板这一步骤，包括以下步骤：

实时采集相应执行机构的位移信号；

对采集到的位移信号进行微分处理，得到移动速度值；

根据得到的移动速度值，生成流量反馈值并回传至人机操作面板。

进一步，所述根据得到的移动速度值，生成流量反馈值并回传至人机操作面板这一步骤，包括以下步骤：

根据移动速度值，对伺服系统中的电机转速进行计算；

判断电机转速是否满足设定的流量范围，若是，则执行下一步骤；反之，则滤除对应电机转速的移动速度值，然后获取下一个移动速度值，并返回根据移动速度值，对伺服系统中的电机转速进行计算的步骤；

判断电机转速是否满足设定的位移速度范围，若是，则执行下一步骤；反之，则滤除对应电机转速的移动速度值，并返回实时采集相应执行机构的位移信号这一步骤；

计算移动速度值对应的流量反馈值，并将流量反馈值回传至人机操作面板。

进一步，所述根据系统的运行状态，对系统运作周期内的性能优化实施控制这一步骤，具体为：

采用pid控制算法，对输入的压力指令或流量指令进行目标跟踪。

进一步，所述根据系统的运行状态，对系统运作周期间的性能优化实施控制这一步骤，包括以下步骤：

根据系统机构的变化因素，对设定值进行修正，所述变化因素包括温度变化；

采用迭代学习控制算法，对将要发生的确定性干扰进行前馈控制。

进一步，所述根据系统机构的变化因素，对设定值进行修正这一步骤，具体为：

根据温度与设定值的函数关系，对设定值进行修正；

所述温度与设定值的函数关系为：

d(f)＝βf(t,δ)，

其中，d(f)代表设定值变量，β为影响系数，f(t,δ)代表温度对设定值的影响函数；

所述影响函数f(t,δ)的定义如下：

f(t,δ)＝ωt(t)+(1-ω)δ(t)，

其中，t(t)为对应t时刻的温度值，δ(t)为对应t时刻的综合磨损阻力，ω是权值。

进一步，所述采用迭代学习控制算法，对将要发生的确定性干扰进行前馈控制这一步骤，包括以下步骤：

将设定值作为输入值，并根据输入值生成对应的输出值；

根据输出值，计算跟随误差；

判断跟随误差是否满足设定的误差要求，若是，则将输出值进行稳定输出；反之，则执行下一步骤；

根据跟随误差，确定学习率；

将跟随误差和学习率叠加，并将叠加结果作为输入值，返回根据输入值生成对应的输出值的步骤。

本发明的系统的有益效果是：本系统采用工业现场总线或者网络来实现人机操作面板与伺服系统之间的数据通讯，相较于传统的模拟量通讯方式，本系统的通讯稳定性更高、实时性更强，更能实现整个系统的信息共享；再者，本系统能够将压力反馈值或流量反馈值实时回传到人机操作面板，相较于现有单方向的信号传输方式，本系统能够根据反馈值对信号指令的输入进行实时修正，可靠性高。

本发明的方法的有益效果是：本方法采用工业现场总线或者网络来实现人机操作面板与伺服系统之间的数据通讯，相较于传统的模拟量通讯方式，本方法的通讯稳定性更高、实时性更强，更能实现整个系统的信息共享；再者，本方法能够将压力反馈值或流量反馈值实时回传到人机操作面板，相较于现有单方向的信号传输方式，本方法能够根据反馈值对信号指令的输入进行实时修正，可靠性高；另外，本方法能够对系统运作周期内的性能优化和系统运作周期间的性能优化同时实施控制，保障了产品质量的一致性，稳定性高。

附图说明

图1为本发明二维优化电液伺服系统的结构框图；

图2为本发明二维优化电液伺服系统的实现方法的步骤流程图；

图3为完整注塑过程的步骤流程图；

图4为电液伺服系统的一种结构示意图。

具体实施方式

下面结合说明书附图和具体实施例对本发明作进一步解释和说明。对于本发明实施例中的步骤编号，其仅为了便于阐述说明而设置，对步骤之间的顺序不做任何限定，实施例中的各步骤的执行顺序均可根据本领域技术人员的理解来进行适应性调整。

参照图1，本发明二维优化电液伺服系统，包括：

人机操作面板，用于进行工艺参数设置、显示工艺参数的设定值和反馈值，以及根据反馈值来对输入参数进行实时修正；

伺服系统，用于根据设置的工艺参数，驱动电机运行；

泵，用于提供油路的油压；

压力传感器，用于检测液压油路的压力值；

所述人机操作面板通过工业现场总线或网络与伺服系统连接，所述伺服系统与泵连接，所述压力传感器的输入端连接泵的输出端，所述压力传感器的输出端连接伺服系统的输入端。

进一步作为优选的实施方式，所述人机操作面板包括：

键盘，用于进行工艺参数设置；

显示屏，用于显示工艺参数的设定值和反馈值；

所述键盘的输出端分别连接显示屏的输入端和伺服系统的输入端，所述显示屏的输入端连接伺服系统的输出端。

其中，本发明的显示屏内置mcu，能够对键盘获取的输入信号进行直接处理，并将输入内容进行实时展示。

进一步作为优选的实施方式，还包括：

位移传感器，用于测量执行机构的位移；

所述位移传感器的输入端连接泵的输出端，所述位移传感器的输出端连接伺服系统的输入端。

参照图2，本发明二维优化电液伺服系统的实现方法，包括以下步骤：

通过人机操作面板将压力指令或流量指令发送到伺服系统；

伺服系统将压力反馈值或流量反馈值实时回传到人机操作面板；

根据系统的运行状态，对系统性能进行二维优化，所述二维优化包括系统运作周期内的性能优化和系统运作周期间的性能优化；

其中，所述人机操作面板通过工业现场总线或网络与伺服系统进行数据通讯。

本发明中的工业现场总线或网络通讯方式包括：can总线通讯、rs232通讯、rs485通讯以及ethercat总线通讯等。本发明的二维优化是指对系统运作周期内的性能优化和系统运作周期间的性能优化同时实施控制。

本发明通过伺服系统把电机运行状态等数据回传到人机操作面板，使得人机系统能够实时监测到电机运行状态，有助于实施更加有效的性能控制、安全保护及故障诊断等措施。

本发明的人机操作面板把整个电液系统的运行状态发送到伺服系统，伺服系统根据电液系统当前的运行状态来决定重点控制的主要设定值，如当前阶段需要重点控制压力，则将压力作为首要控制量，流量作为辅助被控量；同样地，下一个阶段，如果需要重点控制流量，则压力就作为辅助被控量。有效地解决了两个被控量同时耦合的问题。

进一步作为优选的实施方式，所述伺服系统将流量反馈值实时回传到人机操作面板这一步骤，包括以下步骤：

实时采集相应执行机构的位移信号；

对采集到的位移信号进行微分处理，得到移动速度值；

根据得到的移动速度值，生成流量反馈值并回传至人机操作面板。

其中，由于电液系统的流量大小跟执行机构的速度是等比例对应关系，所以只要获取由流量推动的执行机构速度即可求得对应的流量大小，执行机构包括例阀和伺服阀等。

进一步作为优选的实施方式，所述根据得到的移动速度值，生成流量反馈值并回传至人机操作面板这一步骤，包括以下步骤：

根据移动速度值，对伺服系统中的电机转速进行计算；

判断电机转速是否满足设定的流量范围，若是，则执行下一步骤；反之，则滤除对应电机转速的移动速度值，然后获取下一个移动速度值，并返回根据移动速度值，对伺服系统中的电机转速进行计算的步骤；

判断电机转速是否满足设定的位移速度范围，若是，则执行下一步骤；反之，则滤除对应电机转速的移动速度值，并返回实时采集相应执行机构的位移信号这一步骤；

计算移动速度值对应的流量反馈值，并将流量反馈值回传至人机操作面板。

其中，由于本发明的移动速度值是根据位移信号微分处理得到的，而系统中一旦出现噪声，则会对结果造成较大的干扰，进而影响真实的速度反馈值。因此，本发明为了获得准确的速度反馈值，以流量设定值作为基础，结合电机转速，对不正常的速度反馈值进行了滤除。

传统的人机操作面板是通过两条线把对应的两组模拟量(压力和流量)信号同时传送到伺服系统，但伺服系统无法同时控制两组模拟量(即在某一时刻，伺服系统只能控制一个变量，要么是压力，要么是流量)。因此，需要操作人员根据经验，设定压力和流量的切换时间或位置，进行单信号控制。这种依赖经验的信号切换方法不但对操作人员的经验要求高，而且并不能获得较好的控制性能，不够准确。而本发明的电液系统直接根据流量反馈值进行控制，实现了对电液系统中关键参数的精准控制；

进一步作为优选的实施方式，所述根据系统的运行状态，对系统运作周期内的性能优化实施控制这一步骤，具体为：

采用pid控制算法，对输入的压力指令或流量指令进行目标跟踪。

进一步作为优选的实施方式，所述根据系统的运行状态，对系统运作周期间的性能优化实施控制这一步骤，包括以下步骤：

根据系统机构的变化因素，对设定值进行修正，所述变化因素包括温度变化；

采用迭代学习控制算法，对将要发生的确定性干扰进行前馈控制。

进一步作为优选的实施方式，所述根据系统机构的变化因素，对设定值进行修正这一步骤，具体为：

根据温度与设定值的函数关系，对设定值进行修正；

所述温度与设定值的函数关系为：

d(f)＝βf(t,δ)，

其中，d(f)代表设定值变量，β为影响系数，f(t,δ)代表温度对设定值的影响函数；

所述影响函数f(t,δ)的定义如下：

f(t,δ)＝ωt(t)+(1-ω)δ(t)，

其中，t(t)为对应t时刻的温度值，δ(t)为对应t时刻的综合磨损阻力，ω是权值。

进一步作为优选的实施方式，所述采用迭代学习控制算法，对将要发生的确定性干扰进行前馈控制这一步骤，包括以下步骤：

将设定值作为输入值，并根据输入值生成对应的输出值；

根据输出值，计算跟随误差；

判断跟随误差是否满足设定的误差要求，若是，则将输出值进行稳定输出；反之，则执行下一步骤；

根据跟随误差，确定学习率；

将跟随误差和学习率叠加，并将叠加结果作为输入值，返回根据输入值生成对应的输出值的步骤。

传统的人机操作面板设定的流量信号，伺服系统一旦接收到后，马上与电机的速度进行等量映射变换，把流量的控制转换为电机速度的控制。这种间接控制方法存在映射误差，而且电液系统存在压缩性以及非线性，电机的速度不能完全反应流量的大小。因此，这种通过控制电机的速度来间接控制流量的方法，存在控制误差，只是个大概的控制方案，在要求流量高精度控制的场合，这种方法并不适用。

而本发明通过采用双目标优化控制策略(即同时对系统运作周期内和系统运作周期间进行优化控制)，实现电液系统精度控制的同时，并保证对环境变化等造成的干扰具有较强的鲁棒性。

参照图3，以一个完整的注塑过程为例，详细说明本发明二维优化电液伺服系统的实现方法的具体过程：

如图3所示，一个完整的注塑过程包括：合模、注射、保压、塑化和开模等几个阶段。每个阶段都要求同时控制压力和注射速度(即流量)。具体步骤如下：

s1、基于本发明的控制方法，注塑机控制器通过工业现场总线把压力设定值和流量设定值以及当前阶段的系统状态发送到伺服系统；

其中，本发明的人机操作面板与伺服系统之间的通讯协议如下：

人机操作面板(主站)协议：

伺服系统(从站)协议：

参照图4，通过上述的通讯协议，人机操作面板通过键盘输入，把压力/流量指令发送到伺服系统，伺服系统把实时压力/流量反馈回传到人机操作面板的显示屏进行显示，实现关键被控量的实时监控。主站和从站都有根据协议内容产生的校验码，实施过程中可以通过核对校验码的一致性来保证通讯的稳定性和实时性。

s2、伺服系统根据当前阶段的状态信息(如注射阶段的主要任务是实现注射过程的速度(流量)控制，保压阶段主要是的压力控制)实施闭环控制；

s3、针对该注塑电液系统，把电子尺位移传感器装在注射座台移动的方向，通过检测注射过程的位移信号，然后进行求微分处理得到注射速度；

s4、根据注射速度计算电机转速，然后根据设定的流量范围和位移速度范围，对注射速度进行滤波，进而等量变换成流量大小，并与流量设定值进行比较得出误差，采用pid误差控制，实现流量的跟踪控制。

另外，在系统运作周期间采用迭代学习控制算法对重复性干扰进行抑制。此外，一旦系统检测到温度变化(如油温、模温等)超出设定阀值，则根据温度与设定值的函数关系，对设定值进行实时修正。

综上所述，本发明二维优化电液伺服系统及其实现方法，具有以下优点：

1)本发明的电液伺服系统采用全数字通讯的伺服控制，能够节约能耗，降低了运营成本。

2)电液伺服系统采用工业现场总线进行数据通讯，保证人机操作面板与伺服系统的通讯稳定性和实时性，更能实现信息共享，有效监控整个电液伺服系统。

3)本发明能够对系统运作周期内的性能优化和系统运作周期间的性能优化同时实施控制，保障了产品质量的一致性，稳定性高。

以上是对本发明的较佳实施进行了具体说明，但本发明并不限于所述实施例，熟悉本领域的技术人员在不违背本发明精神的前提下还可做作出种种的等同变形或替换，这些等同的变形或替换均包含在本申请权利要求所限定的范围内。