高精度大慣性液壓伺服控制系統及其控制方法
2024-02-05 12:05:15
專利名稱：高精度大慣性液壓伺服控制系統及其控制方法
技術領域：
本發明涉及液壓伺服控制系統及其控制方法。特別是高精度大慣性液壓伺服控制系統和控制方法，它在國際專利分類表中的位置一般是F15B9/00。
在液壓伺服控制技術領域中，特別是位置伺服控制系統中，由於大量採用新型控制元器件，以及控制理論的成熟，使得一般的位置伺服控制系統一般都有較高的精度和較好的穩定性。但是，大慣性液壓伺服系統是個例外。因為，大慣性液壓伺服控制系統與非大慣性液壓伺服系統存著許多不同之處，最主要的區別是當控制對象在接近目標值時，需要適當減速，但當減速時，由於大慣性的作用將超過目標值，而閉環控制的作用又將它拉回到目標值，在拉回的過程中，同樣存在大慣性的作用，它又將超過目標值，這樣就產生了在目標值附近來回地調節。對於非大慣性系統來說，也存在這樣調節的情況，但是只要改變系統的增益就可解決來回調節的問題，而大慣性系統，即使系統增益選擇的很小，也很難避免，這是存在於大慣性液壓伺服控制系統中的一大難題，即有關穩定性問題，同時，大慣性液壓伺服系統隨環境條件的變化存在著較大的零漂，影響了系統的控制的精度。目前較常用的解決方法是加入積分器來提高精度，但在大慣性系統中加入積分器將引起前面所述的穩定性問題。
圖5給出了一個現有技術中一般採用的位置控制伺服系統的控制框圖。圖中位置參數由1′設定，由11檢測出油缸的位移、然後經過12採入，經過比較器2′比較得到偏差E′。經過增益3′進行放大，通過4把數位訊號變成模擬信號U′，由功放5把電壓信號經功率放大後轉換成電流信號1′輸出，驅動電液伺服閥6工作，通過控制進入油缸9、10兩腔的油液，控制油缸的位移。7是為伺服閥6提供壓力較穩定的泵源。8為油箱。圖5系統對於大慣性負載而言存在穩定性差及精度不高等問題。圖6給出了現有技術中未進行後面所述的本發明中壓力補償和零漂補償的大慣性液壓伺服系統中油缸兩腔壓力變化曲線圖。從圖中可以看出壓力脈動很大且始終存在。
本發明的目的在於克服現有技術中的缺陷，提供一種解決大慣性液壓伺服控制系統的穩定性和精度問題的方法。
本發明的進一步的目的是提供一種高精度大慣性液壓伺服控制系統。它利用液壓油缸中有杆腔及無杆腔的壓力以及壓力波動情況來進行補償控制伺服閥的信號大小，以增大系統阻尼，抑制由大慣性引起的振動，提高系統穩定性。同時它根據設定信號與反饋信號比較後所得的偏差的變化情況來自動補償由環境條件變化引起的零漂，在保證穩定的前提下，提高大慣性系統的精度。
本發明還有一個目的是提供一種高精度大慣性液壓伺服控制系統及其控制方法，其有關的壓力補償和零漂補償由計算機及其控制軟體(程序)來完成。
本發明解決了大慣性液壓伺服控制系統中長期未能解決的系統穩定性和控制精度問題，實際應用中(如用於萬噸水壓機送料機械手)也獲得非常好的控制效果，送入位置準確，系統穩定無超調。而且，由於採用計算機及其控制軟體來完成壓力補償和零漂補償，替代了以往採用的硬體補償，既降低了成本，而且控制靈活方便，不會產生不同功能的硬體係數調節時常產生的互相干涉的問題。
本發明的目的是這樣實現的一種高精度大慣液壓伺服控制系統，包括油箱、液壓泵、至少一臺伺服閥，至少一臺用於移動大慣性負載的工作油缸和一個具有計算機的控制裝置，其特徵在於所述的伺服閥可響應於電控制信號來改變輸往工作油缸的液壓油的流量和方向;所述的油缸上設置有位置傳感器，以檢測油缸的實際位置;所述工作油缸的有杆腔和無杆腔分別設置有壓力傳感器以檢測油缸兩腔的油壓;所測得的位置信號經A/D(模似/數字)轉換器反饋給比較器與設定值進行比較;所測得的油缸兩腔油壓信號分別經各自A/D轉換器轉換，並由計算機計算並判別由那一腔進行動壓反饋補償;動壓補償信號反饋至加法器，與來自比較器的已經經過計算機判別是否進行零漂補償並放大後的信號疊加，經D/A(數字/模似)轉換器轉換成模似信號(電壓)，然後經功率放大器放大得到電流信號以控制伺服閥的閥芯開度從而控制工作油缸穩定在目標設定的位置上。所述的計算機為80386。所述的計算機的主頻為25MHz或33MHE。所述的伺服閥為噴嘴擋板式電液伺服閥。所述的液壓泵為恆壓變量高壓柱塞泵。
一種用於高精度大慣性液壓伺服控制系統中的控制方法，其特徵在於包括如下步驟a、讀設定目標值，由A/D轉換器採入位置傳感器檢測的油缸實際位置反饋值;b、將設定值與反饋值進行比較，將設定值減去反饋值得到偏差值E，存入本次偏差值，取出上次偏差值;c、將本次偏差值絕對值減去上次偏差值的絕對值，如果差值大於零，則進行零漂補償，如果小於零，則不進行補償;d、將步驟C來的信號通過增益進行放大;e、由壓力傳感器測出油缸無杆腔中的壓力值，經A/D轉換後採入，由壓力傳感器測出油缸有杆腔中的壓力值，由A/D轉換後採入;f、步驟b中得出的偏差值E如果大於零，則由有杆腔進行動壓補償，如果E小於零則由無杆腔進行動壓補償;g、步驟f得出的修正信號與步驟d得到的信號疊加，並經D/A轉換輸入給功率放大器，得到放大後的電流信號輸出給伺服閥。所述的零漂補償和動壓補償由計算機中軟體來完成。所述的動壓補償由計算機軟體選擇動壓補償經驗公式進行。選擇經驗公式的原則是，在產生振動時壓力值範圍所對應的補償值要大，而在其它範圍補償值要小。所述的C、D步驟與e、f步驟可以顛倒進行，或在計算機上同時進行。
本發明的目的、特性和優點將通過下面對本發明最佳實施例的敘述，並參閱附圖將會得到更好地理解。其中
圖1是本發明高精度大慣性液壓伺服系統的原理圖;
圖2是根據本發明的位置控制伺服系統的控制框圖;
圖3是使用本發明進行控制時所測的油缸兩腔的壓力變化曲線圖;
圖4是本發明的控制方法的程序流程圖;
圖5是現有技術一般採用的位置控制伺服系統的控制框圖;
圖6是現有技術中未使用本發明的有關補償進行控制時所測得油缸兩腔的壓力變化曲線圖。
圖1所示為本發明所採用的液壓伺服系統的原理圖。其中大部分元件和功能與現有技術中的一樣，這裡不做過多的敘述。油泵一電機組工作時，將從油箱8中來的液壓油加壓通過過濾器和液控單向閥送至伺服閥6，電控系統(後面將詳細描述)來的控制信號控制伺服閥的閥芯開度，進而控制工作油缸12有杆腔10和無杆腔9中的壓力和流量，從而控制負載(未示出)的移動速度和位置。圖中位置傳感器11用來檢測油缸活塞杆(或負載)的具體位置並提供反饋信號。壓力傳感器19和20分別用於檢測有杆腔19和無杆腔20中壓力並提供反饋信號，用於進行壓力補償。
圖2所示為本發明的用於液壓伺服系統控制原理框圖。圖中，1為外界設定所需調節的位置目標值，它由位置傳感器11檢測油缸所處的實際位置值，實際位置值通過22A/D把模擬量轉換成數字量輸入，實際值與設定值經過比較器2進行比較得到偏差值E，把本次偏差值E存起，以備下次用。取上次調節的偏差值。比較本次偏差值的絕對值與上次調節的偏差值的絕對值，若本次偏差值的絕對值大於上次偏差值的絕對值，則進行零漂補償，補償程度視具體系統而定。若小於零則不進行零漂補償。本次偏差經增益3進行放大。由壓力傳感器20測出油缸12無杆腔9的壓力值，經16A/D把模擬量轉換成數字量輸入。若本次偏差值E小於零經15進行壓力補償。若偏差E大於零，則由壓力傳感器19測出油缸有杆腔10中的壓力值，經18A/D把模擬量轉換成數字量輸入，由17進行壓力補償，有關15，17的壓力補償方法及程度視具體系統，根據表1中所提供的公式進行補償。選擇公式的原則為在產生振動時壓力值範圍所對應的補償值要大，而在其他範圍補償值要小，表1中，Ps為伺服閥前的油源壓力，對本控制系統其值為22MPa，油壓傳感器輸出對應電壓值為4.4V，本表中Ps即為4.4V。Pl為缸中實際壓力值，即9、10腔中的壓力值。如果需要用無杆腔9中壓力來補償，Pl即為無杆腔9的壓力，反之，即為有杆腔10中的壓力。若無杆腔9中的壓力在產生振動時其壓力值變化範圍為8.8MPa至15.4MPa，即Pl/Ps為0.4-0.7。則可選取表中右面三項補償比較合適，因後三項在此範圍內補償程度最大，而在此範圍之外補償較小，所以在振動時能有效抑制由大慣性而引起的振動。而PL/Ps小於0.4時以及Pl/Ps大於0.7時其補償值都較小，所以對系統在不產生振動的過程中補償程度較小，對系統的特性影響也較小，而後三項中具體選取哪一項可經過實際調試得到最佳補償公式，壓力補償值通過加法器14補償到控制信號中，控制信號經4D/A把數字量轉換成模擬量U，模擬量電壓值U經功率放大器5進行功率放大轉換成電流信號Ⅰ，驅動伺服閥6進行工作，控制進入油缸12中9或10腔中的油液，最後控制油缸的位置。
圖4給出了本發明的控制方法用於大慣性液壓伺服系統時的程序流程圖。圖中的動壓補償和零漂補償的順序可以顛倒。在實際應用中，該流程圖也是編寫補償軟體的基礎。本發明所採用的計算機為80386，如inter302i注頻為25MHE或33MHE。當然從響應速度考慮，選用80486會更好。
圖6為現有技術中某一個大慣性液壓位置控制伺服系統在沒有加入壓力補償值時油缸中實測的壓力變化情況，曲線31為無杆腔油壓，曲線32為有杆腔油壓，由曲線可以看到當t＝2(s)時，到達目標值附近，而t＝2(s)時，執行機械在目標值附近來回振動。
圖3為在其它條件都不變的情況下，加入壓力補償值以後油缸中實測的壓力變化情況，曲線33為無杆腔油壓，曲線34為有杆腔的油壓，由曲線可以看到當t＝2(s)時，到達目標值附近，而t＝2(s)時，油缸的兩腔油壓波動很小，此時執行機構也就不振動。
權利要求
1.一種高精度大慣性液壓伺服控制系統，包括油箱、液壓泵、至少一臺伺服閥，至少一臺用於移動大慣性負載的工作油缸和一個具有計算機的控制裝置，其特徵在於所述的伺服閥可響應於電控制信號來改變輸往工作油缸的液壓油的流量和方向；所述的油缸上設置有位置傳感器，以檢測油缸的實際位置；所述工作油缸的有杆腔和無杆腔分別設置有壓力傳感器以檢測油缸兩腔的油壓；所測得的位置信號經A/D(模似/數字)轉換器反饋給比較器與設定值進行比較；所測得的油缸兩腔油壓信號分別經各自A/D轉換器轉換，並由計算機計算並判別由那一腔進行動壓反饋補償；動壓補償信號反饋至加法器，與來自比較器的已經經過計算機判別是否進行零漂補償並放大後的信號疊加，經D/A(數字/模似)轉換器轉換成模似信號(電壓)，然後經功率放大器放大得到電流信號以控制伺服閥的閥芯開度從而控制工作油缸穩定在目標設定的位置上。
2.如權利要求1所述的一種高精度大慣性液壓伺服控制系統，其特徵在於所述的計算機為80386。
3.如權利要求2所述的一種高精度大慣性液壓伺服控制系統，其特徵在於所述的計算機的主頻為25MHz或33MHE。
4.如權利要求1所述的一種高精度大慣性液壓伺服控制系統，其特徵在於所述的伺服閥為噴嘴擋板式電液伺服閥。
5.如權利要求1所述的一種高精度大慣性液壓伺服控制系統，其特徵在於所述的液壓泵為恆壓變量高壓柱塞泵。
6.一種用於高精度大慣性液壓伺服控制系統中的控制方法，其特徵在於包括如下步驟a、讀設定目標值，由A/D轉換器採入位置傳感器檢測的油缸實際位置反饋值;b、將設定值與反饋值進行比較，將設定值減去反饋值得到偏差值E，存入本次偏差值，取出上次偏差值;c、將本次偏差值絕對值減去上次偏差值的絕對值，如果差值大於零，則進行零漂補償，如果小於零，則不進行補償;d、將步驟C來的信號通過增益進行放大;e、由壓力傳感器測出油缸無杆腔中的壓力值，經A/D轉換後採入，由壓力傳感器測出油缸有杆腔中的壓力，由A/D轉換後採入;f、步驟b中得出的偏差值E如果大於零，則由有杆腔進行動壓補償，如果E小於零則由無杆腔進行動壓補償;g、步驟f得出的修正信號與步驟d得到的信號疊加，並經D/A轉換輸入給功率放大器，得到放大後的電流信號輸出給伺服閥。
7.如權利要求6所述一種高精度大慣性液壓伺服控制系統的控制方法，其特徵在於所述的零漂補償和動壓補償由計算機中軟體來完成。
8.如權利要求6或7所述一種高精度大慣性液壓伺服控制系統的控制方法，其特徵在於所述的動壓補償由計算機軟體選擇動壓補償經驗公式進行。
9.如權利要求8所述一種高精度大慣性液壓伺服控制系統的控制方法，其特徵在於選擇經驗公式的原則是，在產生振動時壓力值範圍所對應的補償值要大，而在其它範圍補償值要小。
10.如權利要求6所述的高精度大慣性液壓伺服控制系統的控制方法，其特徵在於所述的C、D步驟與e、f步驟可以顛倒進行，或在計算機上同時進行。
全文摘要
一種高精度大慣性液壓伺服控制系統及其控制方法，該系統由計算機進行控制。該控制系統特點之一為，通過檢測油缸兩腔的油壓信號進行動壓反饋來補償控制伺服閥的信號大小，以增大系統阻尼，抑制由大慣性引起的振動，提高系統穩定性。另一特點為根據設定信號與反饋信號偏差的變化情況來自動補償由環境條件變化而引起的零漂，以提高大慣性系統的精度。
文檔編號F15B9/03GK1104728SQ9410791
公開日1995年7月5日 申請日期1994年8月1日 優先權日1994年8月1日
發明者黃效國, 程建中 申請人:北京科技大學