电液线位移伺服系统中伺服控制器控制参数的调整方法

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调整方法，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。本发明是采用阶跃响应法，根据角位移信号稳态直线上升段的延长线与时间轴相交的截距值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调整方法。

说明书

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控制参数的调 整方法。

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(P)，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。当今广泛使用的传统的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 服对象的参数进行调整，而是直接采用试凑法或经验法调整伺服控制器的控制参数。这就造 成伺服控制器的控制参数调整比较盲目，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 性参数调整合适的控制参数，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，提供一种电液线位移伺服系统中伺服控制器控制参数的调整方法。

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K_i乘法器、第一减法器、第二减法器、反馈系数K_f乘法器、微分系数K_d乘法器和 微分器组成，比较器、智能积分器、积分系数K_i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K_f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K_d乘法器以及微分器与 线位移检测传感器连接；所述伺服对象由电液伺服阀、液压缸和机械负载组成，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。

上述伺服控制器具有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。

本发明所基于的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K_i、反馈系数K_f和微分系数K_d这三个控制参数大小的影 响。只有准确地调整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 地调整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进行准确调 整。

为了达到上述目的，本发明实现目的所采取的技术方案是：

一种电液线位移伺服系统中伺服控制器控制参数的调整方法，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，该装置由阶跃电压信号发 生器、伺服对象、线位移检测传感器、记录仪器以及液压源组成，其中所述伺服对象由电液 伺服阀、液压缸和机械负载组成，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所述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一条直线，并延长之与时间轴相交；

(5)测量所述直线的斜率以及与时间轴相交的截距值；

(6)将所述阶跃电压信号幅值除以所述直线的斜率，得到电液线位移伺服系统中执行 机构的等效粘性阻尼系数；

(7)将所述等效粘性阻尼系数和所述时间轴上的截距值相乘，得到电液线位移伺服系 统中执行机构的等效质量；

(8)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；

(9)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；

(10)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K_i；

(11)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K_f；

(12)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K_d。

上述的步骤(2)所述的幅值为电液伺服阀的额定值。

本发明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。

附图说明

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控制参数调整方法流程图。

具体实施方式：

为了加深对本发明的理解，下面结合图1、2和3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；所述伺服控制器120由比较器121、智能积分器122、积分系数K_i乘法 器123、第一减法器124、第二减法器125、反馈系数K_f乘法器126、微分系数K_d乘法器127 和微分器128组成，所述比较器121、智能积分器122、积分系数K_i乘法器123、第一减法器 124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124通过反馈系数K_f乘法器126与线位移检测传感 器150连接，第二减法器125通过微分系数K_d乘法器127和微分器128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由电液伺服阀141、 液压缸142和机械负载143组成，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K_i乘法器123乘以积分系数K_i，这时产生的信号与线 位移检测传感器150经反馈系数K_f乘法器126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 K_d乘法器127和微分器128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_i、反馈系数K_f和微分系数K_d这三个 控制参数的大小密切相关。只要准确地调整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。要准确地调整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进行准确调整。

本发明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，其步骤是：

(1)构建附图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V_M(幅值大小根据电液伺服阀的额定值而 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180将所述阶跃电压信号V(t)和输出的线位移信号y(t)随时间变化过 程记录下来，如附图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)如附图3，沿所述线位移信号的直线上升部分2作一条直线，并延长之与时间轴 相交于P点；

(5)测量所述直线的斜率K以及与时间轴相交的P点的截距值T；

(6)将所述阶跃电压信号幅值V_M除以所述直线的斜率K，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B_d；

(7)将所述等效粘性阻尼系数B_d和所述时间轴上的截距值T相乘，得到电液线位移 伺服系统系统中伺服对象的等效质量m_d；

(8)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M_max；

(9)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R_ml；

(10)将电液伺服阀最大输入电压M_max除以线位移指令信号的最大值R_ml，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K_i；

(11)将电液伺服阀最大输入电压M_max除以线位移指令信号的最大值R_ml，所得之商乘 以三倍，得到伺服控制器中的反馈系数K_f；

(12)将电液伺服阀最大输入电压M_max乘以等效质量m_d再除以线位移指令信号的最大 值R_ml，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B_d，得到伺服控制器中 的微分系数K_d。

电液线位移伺服系统中伺服控制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B_d和等效质量m_d识别出 来，然后就可根据所选电液伺服阀的最大输入电压M_max和线位移指令信号的最大值R_ml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_i、反馈系数K_f和微分系数K_d这三 个控制参数与他们之间的定量关系，具体实施时再略作调整。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。