（控制理论与控制工程专业论文）电液伺服系统实时控制与先进控制方法的研究.pdf

南京航窀航灭人学坝l j 学位论文 摘要 电液伺服系统由于能充分发挥电子与液压两方面的优点，具有良好的灵活性和适 应能力，在机械制造、船舶操纵和工业过程控制中得到非常广泛的应用。而液压飞行 仿真转台是研制惯性导航系统必不可少的关键设备之一。因而对电液伺服系统的实时 控制和先进控制方法的研究具有非常重要的意义。 本文综述了液压伺服控制系统的组成、分类、功能、优缺点及性能指标。详细分 析了液压回路的数学模型及液压转台模拟器的软硬件设计和三轴液压仿真转台的控 制系统及典型数字校正网络的设计。通过对电液伺服系统的非线性及低速跳动问题的 分析，提出相应的消除途径并针对摩擦造成的影响提出了基于径向基神经网络的自适 应摩擦力补偿方法。详细讨论了基于w i n d o w s 环境的实时控制技术，实现应用程序 在w i n d o w s 环境下的实时中断。 广、 关键字：电液伺服系统液压转台控制系统实时控制 神经网络虚拟设备驱动程序 乜液f u j 服系统实时控制系统j 先进控制方法的研究 a b s t r a c t e l e c t r o h y d r a u l i cs e r v os y s t e m h a sg o o d a g i l i t ya n da d a p t a b i l i t yb e c a u s ei tc a ne x e n t h em e r i t so fe l e c t r o na n dh y d r a u l i cp r e s s u r e i t a p p l i e sv e r yb r o a d l yi nm e c h a n i s mo f m a n u f a c t u r e ，s h i p p i n gm a n i p u l a t i o na n di n d u s t r yp r o c e s sc o n t r o l l e r e l e c t r o h y d r a u l i c s e r v o f l i 【g h t s i m u l a t o ri s a b s o l u t e l yn e c e s s a r i l yk e ye q u i p m e n ti n d e v e l o p i n g i n e r t i a n a v i g a t i o ns y s t e m s o i ti sv e r yi m p o r t a n tt h a ts t u d y i n gt h er e a l - t i m ec o n t r o la n da d v a n c e d c o n t r o lm e t h o do f e l e c t r o h y d r a u l i cs e r v os y s t e m f i r s t l y , t h i s t h e s i ss u m r l a r i z e st h e c o n f i g u r a t i o n ，c l a s s i f i c a t i o n ，a d v a n t a g e s ， d i s a d v a n t a g e sa n ds p e c i f i c a t i o n so fe l e c t r o h y d r a u l i cs e r v os y s t e m s e c o n d l y ，i ta n a l y s e t h em a t h e m a t i c sm o d e lo f h y d r a u l i cp r e s s u r el o o p ，t h eh a r d w a r ea n ds o f t w a r ed e s i g no ft h e t u r n t a b l es i m u l a t o r m e a n w h i l e ，i tm a i n l yf o c u s e so nt h ec o n t r o ls y s t e ma n dt h et y p i c a l d i g i t a l r e c t i f y n e t w o r k i m p l e m e n t a t i o n f u r t h e r m o r e ，b ya n a l y z i n g t h e p r o b l e m o f n o n - l i n e a r i t ya n dl o w v e l o c i t y , t h ec o r r e s p o n d i n ga v o i da p p r o a c h e sa r ed i s c u s s e da n da n a d a p t i v ef r i c t i o nc o m p e n s a t i o nm e t h o du s i n gt h er b fn e t w o r ki sp u tf o r w a r d e d f i n a l l y t h er e a lt i m ec o n t r o lt e c h n i q u e sb a s e do n w 抽d o w $ p l a t f o r m a r ed i s c u s s e dp a r t i c u l a r l ya n d a p p l i c a t i o n sc a ni n t e r r u p tr e a lt i m eb a s e do n 眦d o w sp l a t f o r i l l k e y w o r d ：e l e c t r o - h y d r a u l i cs e r v os y s t e mh y d r a u l i ct u r n t a b l e c o n t r o l s y s t e m r e a lt i m ec o n t r o lr a d i a lb a s i sf u n c t i o nn e t w o r k v i s u a ld e v i c ed r i v e r p r o g r a m 南京航空航天大学硕士学位论文 注释表 伺服阀阀芯位移，m 伺服阀控制电流，a 伺服阀时间常数，s e c 伺服阀放大系数，m a 马达进出口压差，p a 伺服油源压力，p a 负载流量，m 3 s e c 流量系数 伺服阀口宽度，m 液压油密度，k g m 3 输出功率轴转速，r a d s e c 齿轮箱减速化 马达排量，m 3 r a d 液压油弹性模量，p a 马达净容积，m 3 泄漏系数，m 3 s e c p a 转台转角，r a d 转台惯量，k g m 2 速度阻尼系数，n m r a d s e c v 。k k k耽吼q队。 口，巩虬u吼。凡 南京航空航天大学硕上学位论文 1 1 引言 第一章绪论 飞行仿真转台作为航空、航天等领域中进行仿真和测试的关键设备，它是在地面 模拟飞行器在空中的飞行姿态，具有重大经济价值和国防战略意义的高精尖实验设 备，其性能的优劣直接关系到仿真和测试试验的可靠性和置信度。其发展，由早期的 模拟控制到今天的全数字控制，从单轴转台到三轴、五轴转台，可以足够的精度跟踪 指令运行，在实验室条件下复现飞行器在空中的各种飞行状态和姿态。利用飞行仿真 转台，可以构成飞行控制系统、制导系统的地面含实物仿真系统，为成功的实际飞行 提供充分的技术指导和实验数据，为飞行器控制系统的改进和再设计提供参考依据， 也可以对部分传感器进行性能测试和标定。由于飞行仿真试验目前在新型号的研制， 产品的改型、生产和检验中越来越起着重要的作用，因此对飞行仿真转台的性能提出 了一系列的高要求。这些性能要求包括： 耷稳定性好，稳定裕度大，确保飞行仿真试验的顺利开展和可重复性； 夺动态性能好，要求各个自由度均能在较宽的频带内复现输入信号： 夺静态精度高，以确保仿真试验的静态性能，包括位置精度，重复性、分辨率等； 夺调速比宽，既能满足最大速度要求，又能使低速信号输出平稳。 电液伺服系统，由于能充分发挥电子与液压两方面的优点，既能控制很重的惯量 和产生很大的力和力矩，又具有高精度和快速响应的能力，具有良好的灵活性和适应 能力，因而在机械制造、船舶操纵和工业过程控制中得到越来越广泛的应用。目前， 国内外大负载军用仿真转台一般采用液压直接驱动方式的液压仿真转台( 即由电液伺 服马达直接驱动仿真转台各框架) 。其核心是阀控马达电液伺服结构，这种伺服机构 的动力部分由电液伺服阀、液压伺服马达和液压源组成。电液伺服机构由于其电子部 分而具有灵活性，又由于其液压部分具有很大的动力操作能力，所以相对于其他类型 伺服机构( 如伺服电机) 来说，电液伺服机构在响应速度、功率惯量比等性能上至今 仍处于明显优势。由于这些不可替代的优点，应用电液伺服机构的液压仿真转台仍然 是研究的重要领域。 近年来，随着机械工业精度、响应速度和自动化程度的提高，对液压控制技术提 出了越来越高的要求，液压控制技术也从传统的机械、操纵和助力装置等应用场合丌 始向航空航天、海底作业和车辆与工程机械等领域( 如模拟加载装置、车轮防抱死制 动系统和机器人电液伺服系统等) 扩展。在这种情况下，仅采用液压控制技术已难以 满足上述应用场合提出的要求，机、电、液体化技术正是在这种背景下产生的。7 0 年代末至8 0 年代逐渐完善和普及的计算机控制技术和集成传感技术为电子技术和液 电液伺服系统实时控制系统与先进掩制方法的研究 压技术的结合奠定了基础。计算机控制在液压控制系统中的应用大大提高了控制精度 和工作可靠性，使得以往难于用模拟控制实现的复杂控制策略成为可能。为了便于使 微机和电液控制系统进行接口，近年来除继续采用传统的电液伺服和比例阀作为电液 转换与放大元件外，8 0 年代初还出现了采用高速开关阀和步进电机拖动的数字阀的 脉宽调制( p w m ) 型电液伺服系统和数字增量控制( i d c ) 型电液伺服系统。上述电 液伺服系统和传统的工业场合中应用的电液伺服系统相比具有明显的不同之处，主要 表现在：( 1 ) 环境和任务复杂，普遍存在较大程度的参数变化和外负载干扰；( 2 ) 电 液转换元件不同，采用了各种型式的数字阀，省去了d a 转换装置；( 3 ) 控制策略 变为以近代控制方法、智能控制方法和鲁棒控制方法为主、控制器由以模拟实现为主 变为以数字控制和微机控制实现为主。凡是具备上述特征之一的电液伺服系统称为近 代电液伺服系统。王占林和刘长年在国内最早涉及了近代电液伺服系统的有关研究工 作，系统地研究了基于二次型最佳指标的线性最优控制理论在电液伺服系统中的应 用，提出了液压伺服系统的优化设计理论。随后，林建亚和丁崇生针对液压伺服系统 的特点，研究了模型跟随自适应控制在机器人电液伺服系统和实验机液压伺服系统中 的应用。也有不少人在液压控制系统开展了模糊控制方法的应用研究等先进控制方 法。 1 2 液压伺服控制系统的组成 在要求快速性非常好且负载非常大的伺服系统中，其执行机构一般使用液压( 控 制) 元件。这是因为液压元件同电气及气动元件相比，具有快速性和单位重量输出功 率大的优点。另一方面，在伺服系统中传递信号和校正特性时最好用电气元件。这是 因为从传输的角度来看，伺服系统的一部分是由电线连接的，另外，作为伺服系统的 校正元件( 它是快速性要求特别高的时候所不可缺少的) 若用r c 电路在技术上很容 易实现。因此，高性能的伺服系统近来都采用电一液方式。 一般电液伺服控制系统由以下基本元件组成，如图1 1 所示 图卜1 、电液伺服控制系统的基本元件 l1 ) 指令元件：给出与反馈信号同样形式的控制信号，可以是电位器、计算机等 ( 2 ) 检测元件：检测被控量，给出系统的反馈信号，如位置传感器：光电码盘 电位器；速度传感器，测速机等。 2 输 南京航空航天大学硕士学位论文 ( 3 )比较元件：把控制信号和反馈信号加以比较，给出偏差信号； ( 4 )放大、转换、控制元件：把偏差信号放大，转换成液压信号( 流量、压力) ， 并控制执行机构运动，如放大器、伺服阀等： ( 5 )执行元件：如液压马达； ( 6 )控制对象：如工作台及其它负载装置。 液压控制元件、执行元件和负载在系统中的作用是密切相关的，把三者的组合称 之为液压动力机构。此外，还可能有各种校正装置，以及不包含在控制回路内的能源 设备和其它辅助装置等。 1 2 1 伺服阀的原理 在电液控制系统中，伺服阀的功能是将电气信号( 电压，电流) 变成液压信号( 压 力、流量) 的转换。既起电气信号与液压信号间的转换作用，又起信号的放大作用， 因此其性能对系统的特性影响很大，是系统中的核心元件，如图1 2 所示。 图卜2 、电液控制系统基本结构图 电液伺服阀在电液控制中所处的位置如图。主要由以下几部分组成： ( 1 )电一力转换部分通常为力马达或力矩马达。 ( 2 )力位移转换部分通常为扭簧、弹簧管或弹簧。有时也把此部分包括在 力矩马达( 或力马达) 中。 ( 3 ) 液压放大器通常前置级为滑阀式、射流管式或喷嘴挡板式液压放大器， 而功率级均为滑阀式液压放大器。 在一般情况下使永磁力矩马达的两个线圈里流过反向电流，这样两电流之差即为 间服阀输入( 电流) 。这样挡板就要运动( 假定它由两个喷嘴问的中央位置向右方偏 移) 。由于两喷嘴共用一个油源，并且其结构也完全相同，所以差动电流为零的时候， 两喷嘴的背压相等。挡板右移时，则右侧背压上升，左侧背压下降。所以在平衡的状 态下，力矩马达的差动电流与阀芯的位移成正比。另外，两个喷嘴挡板阀相对布置使 用是因为：对于挡板的某一运动，一边的喷嘴背压上升，另一边下降，所以作用在阀 芯上的有效力约为一个喷嘴时的两倍；即使油源压力多少有些变化，但由于两喷嘴的 3 电液伺服系统实时控制系统与先进控制方法的研究 背压是反方向作用于阀芯上的，因此油压变化部分大体上可互相抵消，使油源压力变 化对滑阀位置的影响较小。伺服阀主要元件的特性如下： ( 1 ) 力矩马达 力矩马达是电液伺服阀的重要组成部分之一，作为伺服阀的输入级，就其功能而 言属于一种电一机械转换装置。力矩马达工作原理如图1 3 所示。它由一个永久磁铁 和形状相同的两个软铁片( 导磁体) 构成。挡板铁片 永久磁铁 的上端用等厚度的非磁性体固定在两个导磁体上 挡板的下端与两个导磁体间有相等的空气隙。电 流与挡板位移的( 静特性) 关系为 ：型f 式中：k 。：_ 4 k ，由p r i c ，( r i + r ) 2 动特性为：图卜3 力矩马达原理图 m fz + d fz + c j z 2k ! n 其中k 。为常数，中。为磁动势在导磁体内产生的磁通( w b ) ，r ，为非磁性体的磁阻， r 是挡板处于中位时空气隙的磁阻，n 线圈匝数，c ，表示挡板弹性的常数，m ，的等 效折算质量，d ，在油中和磁场中运动的等效阻尼系数。 ( 2 ) 喷嘴挡板阀与滑阀 如按液压放大装置的操纵功率分类，喷嘴挡板阀是功率最小的。挡板阀可作成单 喷嘴和双喷嘴的，后者最常用，它的挡板可绕支点偏转。当挡板在中间位置时，它与 两喷嘴的间隙相等，故该处的流体阻力相同，因而两个控制腔的压力相等，此时输出 压力差和流量均为零。当输入一位移信号使挡板偏离中间位置时，挡板与两个喷嘴之 间形成的流体阻力不再相等，故有压力差和负载流量输出。挡板阀的优点是抗污染能 力强，也不象滑阀那样需要保证严格的制造公差，故成本也较低，而且它的惯量小， 相应速度高。它的主要缺点是零位泄漏量大，因此只能在小功率系统中使用。 1 2 2 伺服阀的分类 1 ) 按放大部分分类： a 、没有放大部分，用力矩马达直接驱动滑阀 b 、放大部分用喷嘴挡板阀； c 、放大部分用射流管； d 、放大部分用小型滑阀。 2 ) 按喷嘴挡板阀的布置与结构分类： a 、单喷嘴挡板阀 4 南京航空航天大学硕士学位论文 b 、双喷嘴挡板阀，它是这类阀的最常用的形式，在挡板与两喷嘴之间有相等的 间隙，所以两喷嘴总是在喷射工作油，但是对于特别节约用油量的地方来说，这是个 致命的缺点， c 、式节流孔，从本质上可以将它看做是双喷嘴，两个节流孔并排挨着，挡板的 运动方向与从两个节流孔出来的射流成直角。对剪式节流孔来说，输入为零时，挡板 同时关闭两个节流孔，当有输入时，则一个节流孔仍然关闭着，而另一个则与输入大 小成正比地打开。 3 ) 按干式与湿式分类 力矩马达的衔铁和磁铁等不与工作油接触的形式叫干式，而与油接触的形式叫湿 式。湿式力矩马达在长期使用过程中工作油中的细铁粉末会附着在力矩马达的磁铁 上，使磁性变化，因此，这种伺服系统不仅要用普通的滤油器，而且还有必要使用磁 性滤油器。 4 ) 按滑阀的定位方式分类：这是按输入( 差动) 电流、挡板位置和阀芯位置在稳定 状态下一一对应的方式进行分类的。 a 、弹簧平衡方式 b 、力反馈方式 c 、位置反馈方式 d 、其它形式，这是一种用电气方法检测出阀芯位置，再将它反馈到力矩马达前 面的电放大器，而使滑阀具有定位性的方式。 1 3 液压伺服控制系统的分类 液压控制系统可按下列不同原则进行分类： l 、按误差信号的产生和传递方式不同分为： 夺机械一液压控制系统； 夺 电气一液压控制系统： 令气动一液压控制系统； 2 、 按液压控制元件不同分为： 夺 阀控系统由伺服阀利用节流原理控制流入执行机构的流量或压力系统； 夺泵控系统利用伺服变量泵改变排量的方法控制流入执行机构的流量和 压力的系统。 3 、按被控物理量的不同分为： 夺位置控制系统； 夺速度控制系统： 夺加速度控制系统； 夺压力控制系统； 5 电液伺服系统实时控制系统与先进控制方法的研究 夺力控制系统： 夺其它物理控制系统。 4 、 按输入信号的不同分为： 夺伺服系统输入信号是任意变化的系统，它通常用于要求快速响应的场 合： 夺定值调节系统输入信号为恒定的常量，当干扰量不断变化时保持输出量 不变； 夺程序控制系统输入量是按程序预先规定好的设定值，一般控制对象的时 间常数较大，系统工作频率较低。 1 4 液压控制系统的优缺点 液压控制系统和其他类型系统相比，具有下列优点： 夺液压执行机构的功率一重量比大，因此液压控制系统的加速性好，结构紧凑，尺 寸小，重量轻。由于电动执行执行机构所用磁性材料具有饱和作用，其输出力或 扭矩受到一定的限制，所以若要增大力或扭矩，只能增大尺寸。但是在液压控制 系统中，则可以提高供油压力的办法来获得较高的力或扭矩，唯一的限制只是部 件的强度； 冷液压控制系统的刚度大，即输出位移受外负载的影响小，定位准确。所以位置误 差小，精度高。这一点是电动和气动控制所不能比拟的。因为液体的体积弹性模 数很大，因此与液压能源相连接并充满液压油的液压执行元件，其液压弹簧刚度 也是很大的，而泄漏又小，故速度刚度大。另外，液压弹簧与负载形成的液压谐 振频率高，所以系统的响应速度快。与液压系统具有相同压力和负载的气动系统， 其响应速度只有液压系统的1 5 0 ，液压系统的刚度约为相当的气动系统的4 0 0 倍。电动机的开环速度刚度约为液压马达的l 5 ，电动机的位置刚度接近于零。 因此电动机只能用来组成闭环位置控制系统，而液压马达却可以用来组成开环位 置系统，当然闭环液压位置系统的刚度比开环时要高的多。所以液压控制系统具 有高精度和快速响应的能力； 夺对任何机器而言，温升都是一个主要限制条件，液压系统解决散热问题要方便些， 因为液压油是一个很好的载热介质，在系统工作过程中它可以把由于功耗损耗而 产生的热量从发生的地方带到别处，而在方便的地方通过热交换散热，这样就可 以在一定的功率条件下减少部件尺寸，提高系统的功率一重量比； 令液压油能兼起润滑剂作用，从而使元件寿命得以延长，这一点比气功系统优越。 液压控制系统因有上述突出优点，促使它得到广泛的应用。但它还存在着不少缺点， 因而又使它的应用受到某些限制。其主要缺点有： 夺液压元件，特别是精密的控制元件( 如电液伺服阀) 抗油污能力差，对工作油液 6 南京航空航天大学硕士学位论文 的清洁度要求高。所以污染的油液会使阀磨损而降低其性能，甚至可能被堵塞粘 住而不能工作，这常常是液压控制系统发生故障的主要原因。因此液压控制系统 必须采用精细的过滤器； 夺 液体的体积弹性模数随温度和混入油中的空气含量而变。当温度变化时，对系统 的性能有显著影响。与此相反，温度对气体的体积弹性模数影响很小，因此对气 动控制系统的工作性能影响不大。温度对液体的粘度影响很大：低温时摩擦损失 增大，高温时泄漏增加，并容易产生气穴现象。因为气体的粘度很小，故温度对 气体的影响可以忽略不计； 夺 当液压元件的密封装置设计、制造或维护不当时，容易引起油液外漏，造成环境 污染； 审液压元件制造精度要求高，成本较高； 夺液压能源的获得不像电能那样方便，也不像气源那样易于存储； 令 如果液压能源与执行机构的距离较远，使用长管道连接会增加重量，并使系统的 响应速度降低，甚至引起系统不稳定。这时采用电动系统更为有利。 基于以上液压控制系统的优缺点，可以总结出液压仿真转台的优缺点，当然这里的 优缺点是相对于电动伺服系统( 电动转台) 来说。 主要优点： 夺液压作动器就流量一一速度而言，基本上是个固有频率很高的二阶环节，与电 动机相比它的响应速度高。所以电液伺服系统可以使液压转台具有更好的静态和 动态特性： 液压马达具有较高的功率一一重量比，即在同样功率的情况下，马达的体积小， 重量轻； 电液伺服系统具有较宽的调速比； 电液伺服系统的负载刚度较高，因此，三个框架的运动力矩干扰较小。 主要缺点： 夺能源的获得较电源困难得多，且噪声大，污染较重； 液压元件制造公差要求严格，成本高、装配、维修都比较困难： 夺液压伺服系统非线性因素较多，分析、设计都比较复杂。有些参数在使用过程中 还要发生变化，对性能产生不利的影响，给系统的设计，调试带来较大的困难。 1 5 液压仿真转台的性能指标 液压飞行仿真转台的主要性能指标可以用“高频响、超低速、宽调速、高精度” 来概括。 高频响( 即宽频带) ，反映了仿真转台跟踪输入信号的能力。提高系统频带宽度 可以加快系统响应速度，提高系统动态跟随精度。 7 电液伺服系统实时控制系统与先进控制方法的研究 高精度主要包括各框架轴的转角位置精度和三个框架轴线的垂直度和相交度。 凋速范围是最大角速度与最低角速度的比值。当油源和伺服阀确定后，最大角速 度h 口确定，此时调速范围决定于最低角速度。因此改善系统低速性能能够增大系统的 调速范围。目前国内外研制的高性能仿真转台其调速范围一般在2 万4 0 万之间， 宽调速与转台良好的超低速性能是密不可分的。 转台位置伺服系统的低速性能，是指系统输入速度很低时，其系统输出运动是否 保持平稳或出现脉动的特性。在液压仿真转台这些性能指标中，低速性能是最关键的 参数指标之一，是保证其他性能指标要求的前提条件。作者将在后面章节中展开说明 了影响低速性能的因素及其相应的解决方法。 1 6 本论文的背景及主要内容 本论文针对研制电液仿真转台控制系统改造的基础上，重点分析了控制系统设计 和控制方法的实现，详细介绍了p i d 控制算法的实现以及根据控制特点设计了相应 的补偿环节，详细阐述了基于w i n d o w s 操作系统实时控制系统的实现，并对电液伺 服控制系统控制策略的发展作了初步的探讨工作。 本文第一章阐述了电液伺服系统的发展情况，介绍了电液伺服系统组成原理及分 类，讨论了液压控制系统的优缺点，由此总结了电液伺服转台与电动转台相比较的优 缺点，并解释了该控制系统的性能指标。 在实验室条件下，为了能够完成对控制器性能进行调试，需要一种能模拟转台特 性及各种外部接口功能的转台模拟器，从而与转台控制系统构成一个半物理仿真系 统。第二章中首先针对液压转台一般性能的分析讨论了各个环节的数学模型，详细分 析了模拟器系统的软硬件设计方案。 在第三章中阐述了三轴液压仿真转台的控制系统设计，重点介绍了闭环控制系统 的方案，对经典闭环控制规律p i d 进行讨论，并对数字校正网络进行了详细的分析。 在对闭环控制系统回路设计中，重点讨论了位置闭环控制回路和速度闭环控制回路。 在第四章中主要是对电液伺服系统中几个问题的研究，首先提出了问题，然后详 细分析了常见的非线性及低速性能的影响因素，并提出相应解决办法和仿真试验。 第五章详细讨论了基于w i n d o w s 环境的实时控制技术，首先讨论了w i n d o w s 系 统使用微机定时的局限性，并且对w i n d o w s 的体系结构做了详细的分析，提出开发 基于多功能数据采集卡的虚拟驱动程序，实现应用程序的实时中断。 8 南京航空航天大学坝j j 学位论文 第二章电液伺服转台模拟器的研制 由于该课题是基于对原有老式液压转台进行控制系统的改造，所以，在实验室条 件下，为了能够完成对控制器性能进行调试，需要一种能模拟转台特性及各种外部接 口功能的转台模拟器，从而与转台构成一个半物理仿真系统。尤其是在对老式转台控 制系统进行技术改造时，将能有效提高控制系统的开发效率，缩短转台控制系统的研 制周期。并且将控制系统在正确反映转台特性与接口功能的模拟器上反复调试验证 后，再应用到真正的液压控制系统上，可以大大减小风险，节约能源。本文研制开发 的转台模拟器，可以根据用户的需要，灵活配置转台特性和接口规格。 2 1 液压伺服系统数学模型分析 三轴液压转台系阀控马达液压伺服系统。为了保证满足使用的要求，该液压伺服 系统的动静态特性和品质对控制方案的选择以及控制系统的设计有着十分重要的影 响，所以为实现准确的模拟器，首先必须理解液压伺服系统的特性。由于转台使用范 围接近液压伺服系统可能提供的最大能量。因此，液压伺服系统的瞬态特性及工作在 大偏差范围所表现出来的非线性特性是控制规律设计中必须了解的。根据液压传动理 论，可以获得描述该电液伺服系统的数学模型。 电液伺服阀位移特性：( 阶惯性环节) 窘= 每k 一毒x 电液伺服阀的流量特性： 假设伺服油源压力保持p 。，则流过伺服阀的流量为 o = c d 4 d 。x 吼= - c d 4 d 。 q = 巴4 d 。x 历丐雕只 x 厮习小| 咒 嗣lx p _ p ，肛川， l ，x r 0 x 只0 上式中，已考虑到马达反转时液压油回流情况，假设伺服阀为方开口，且窗口数为4 。 液压马达特性 i d e = 尹4 , 8 ( 吼- - d n ，小p c 。咒) 9 电液伺服系统实时控制系统与先进控制方法的研究 负载万程 塑：臼 d t 丝：堡p 一生目 d t j ；1j 。 故液压回路如图2 1 所示。 擎。rql-f(x,pl) 阀控马达的原理图如图2 - 2 图2 2 阀控马达原理图 我们假定阀是理想的零开口，且油源压力p 。恒定，为了分析阀控马达系统的特性， 首先必须建立从输入量x ，( 伺服阀阀芯位移) 到输出量0 ( 液压马达角位移的数学 模型即传递函数式，为此，必须建立阀和马达的运动函数式方程，流量方程和力平衡 方程) 理想化后的流量方程：q l = ( q 1 + q ：) = k ，x 。一k 。圪式中流量增益k 和压 力流量系数k 由伺服阀额定参数和结构尺寸决定，负载压力p l 为马达两腔压力之差 即p l = p l p 2 ，考虑油液的压缩性和液压马达的内外泄漏，阀马达系统的流量方程为 南京航空航天大学颂士学位论文 盱。，鲁+ 老鲁+ c ，r 其中d 。为液压马达的排量，v 。为液压马达两腔体积之和( 含管路体积) ，b 。为液压 油弹性模量，c 。为液压马达总泄漏系数。方程右边第一项为推动液压马达运转所消耗 的流量，第二项为马达负载压力的变化引起单位时间两体积的变化，第三项为由于马 达泄漏引起的流量损失。 液压马达的受力主要是转台框架及减速箱的惯性力，因此马达的力平衡方程为 叩刮粤 上式中j 为转台框架及减速箱折算到马达轴上的转动惯量。 根据以上三式消去中间变量q l 和p l ，可求得阀芯位移与液压马达角位移之间的传递 函数为 日 k 。d 。 x 。当量s ，+ 垡s z + s 4 p e d ：d ： 式中k c e = k 。+ c 。为包括泄漏在内的总压力流量系数。 2 2 模拟器系统的构成 转台控制系统原理框图如图2 - 3 所示。 给定 艇t 一 1 i 三轴转 l 台框架 i ：。：门! ：! ：! _ 兰竺竺兰i 卜 图2 3 转台控制系统原理框图 由控制系统的伺服放大出来的电流信号控制电液伺服阀的开度，从而控制油的流 量，通过油的流量调节液压马达的输出力矩，以达到调节转台转速的目的。一般来说， 电液伺服阀的响应较快，而执行机构液压马达的固有频率是整个控制回路中最低的， 所以液压马达的数学模型近似的二阶振荡环节对整个系统的动态特性具有决定性的 b 液佩服系统实时挖制系统与先进拧制方法的研究 影响。 反馈元什 三要是光电码盘和测速机。在转台的闭环控制系统中，通过速度传感 器测速机反馈的转速信号构成转台速度的闭环控制，山位茕传感器光电码盘反馈的转 台位胃信号构成了位罨闭环，从而形成对转台双闭环控制，提高了转台的控制精度。 测速发电机是一种用来检测转速的发电机，分直流测速发电机和交流测速发电机两大 类。它将转速信号变换成电压信号，其输出的电压信号与转速成f 比。在调速系统中， 常采用直流测速发电机作为测速元件，组成速度控制反馈回路。在位黄随动系统中， 测速发电机作为反馈元件，形成局部闭环回路，可以改善系统的动态性能，并能明显 减弱参数变化和非线性因素对系统性能的影响。光电码盘是角度编码器的一种，它能 把角位移经过简单的变换为数字量。在测角系统中，常采用增量式光电码盘作为测角 元件，组成位罱控制反馈回路。 转台外部接口功能包括行程开关输出信号、液压油源的状态指示等。当转台处于 超行程状态时，发出越位信号，切断电源，起到保护的功能。 2 3 模拟器系统的原理和硬件实现 模拟器系统主要有三部分构成：( 1 ) 模拟含执行机构的转台数字模型；( 2 ) 模拟 外部接1 3 功能的转台输入输出信号接口箱；( 3 ) 一台配置多功能卡的工控机。 2 南京航空航天大学硕士学位论文 2 3 1 多功能卡配置 多功能卡主要完成外部信号的a d 采样，模拟量d a 输出，开关量的数字量输 入，数字量输出，这里采用的多功能卡有e v o c 公司研制的基于i s a 总线结构的高 性能数据采集卡：8 1 8 a d 和7 2 6 d a 。主要处理系统信号如下： 通过8 1 8 a d 卡的a d 转换通道，完成伺服阀给定电流信号的采集； 由7 2 6 的i o 口，采集液压泵状态； 由于码盘信号分别由a “，b “一，z + ，则三个轴的码盘信号为1 8 个数字量， 和6 个形程开光逻辑量，由8 18 a d 卡和7 2 6 d a 卡i o 口共同完成，实现光电 码盘脉冲信号的模拟； 由液压回路数字模型计算得到的速度信号通过7 2 6 d a 转换通道，完成对测速机 信号的模拟； 2 3 2 模拟信号接口箱组成 模拟信号接口箱由液压油源模拟板，信号处理转接板，直流电源板构成。液压油 源模拟主要是通过继电器状态和面板拨动开关、按钮及指示灯共同完成了液压油源的 工作原理。完成模拟以下液压油源功能： 液压泵开关状态，若主开关和电源锁都处于接通状态，且应急按钮处于拉出状态 则泵指示灯亮，表明液压泵打开，并将信号送工控机； 若将液位波动开关处于未接通状态时，面板小液位灯亮，伺服阀断开： 只有将液位开关接通，小液位指示灯灭，伺服球阀拨动开关接通，且压力开按钮 接通，则表示液压油泵真正通电起动； 按应急按钮，则切断电源，油泵断电，模拟了当液压油源或转台出现故障，应急 按钮应急保护。 信号处理转接板主要是完成转台控制柜与模拟器之间的信号转接和处理。模拟信号接 口箱原理方块图如2 5 ： 里鲨塑壁墨竺壅堕笙型墨堑兰查垄堡型塑堕塑堕窒 一 ： _ j 服”目茬 分信号 f 毒。 - 1 。 釜毫港” b 工 r 形程开关 控 瘥 信 状态量 i 信 计 号 制 ：1 号 算 转 心 1 i转 机 接 接 。k 厅乜 m 插 插w 座 座 i咧， 2 l 廿 一苛 测速机信号 = _ 一1 。 图2 - 5 模拟信号接口箱原理方块图 2 4 模拟器系统软件实现 模拟器软件部分主要包括五个部分：( 1 ) 含执行机构的转台特性数字模型实现； ( 2 ) 光电码盘脉冲差分信号的实现，模拟了光电码盘的位置反馈；( 3 ) 测速机信号， 模拟了测速机的速度反馈；( 4 ) 行程越位信号的实现；( 5 ) 人机交互的窗口显示。它 们之间的相互关系如图2 - 6 所示。 鼍蚓霉嚣触 手动 由键盘 输入 速度 7 2 6 d i a j- 测速机信号 云牟蚓量畔捌 o |i 定值比较1 人机交互窗口显示 图2 - 6 模拟器软件模块关系图 一娃册勰躺咐圳叫l i 南京航空航天大学颧上学位论文 该软件系统分手动和自动两种状态，在手动时，直接由键盘输入伺服阀电流大小，这 种状态可以用来对模拟器系统的检测，这时，不需要采集油源控制器的伺服阀电流， 通过测量测速机信号和码盘脉冲信号来测试模拟器软件系统的正确与否。 在这里，含执行机构的转台特性数字模型的使用真接可以根据以上液压回路数学 模型的分析，根据输入输出之间的关系来计算转台的速度和位置量。在程序中，将参 数k s v 、t s 。、c d 、d w 、p 、b 。、v 。、d m 、c l 、j 。、i 、b 。、p 。的配置采用从文件读取 技术。在c 、c + + 语言中提供了大量的对数据流操作方法，很容易实现文件的读写技 术。具体作法为，首先建立一个文件类型的数据流缓冲区地址，然后打开某个文件， 接着就可以进行文件的数据读写了。从文件读取参数的参考代码如下： v o i ds a v e m o d e y o f i l e ( ) f i l e + f p m o d e ； f p m o d e 2 f o p e n ( ”e ：w h y 3 a s i m u e l o d e p a r a n , l r ”) ； i f ( f p m o d e ! = n u l l ) f s c a n f ( f r i m o d e , 8 3 f 8 ，3 f 8 3 f 8 3 f 8 3 f 8 3 f 8 3 f 8 3 f 8 3 f 8 3 f 8 3 f 8 3 f 8 3 f ，& k ；，、& t s ，、& c d ，& d w 、& p 、& b 。、& v 。 & d m ，& c l ，& j t & i 、& b c 、& p s ) ； f e l o s e ( f p ) ； ) 从文件中读取系统参数 所以在运行程序之前，可以首先根据需要，将指定目录下的d a t 文件进行参数进行 相应配置。这样，在实际应用中，我们可以根据实际的需要，对参数进行选择，从而 实现该模拟器系统能够灵活配置转台特性模型的特点，使该模拟器具有一定的通用 ，阵。 2 4 1 定时中断的实现 由于本软件中模拟传感器光电码盘的输出脉冲，则必须要采用定时中断的形式， 为节约硬件开销，本系统定时中断采用通过改写系统板上的定时器通道0 来实现。实 现方法是：( 1 ) 保存原中断向量：o l d _ h a n d l e = g e t v e c t ( t i m e r ；(2)重新对定时_rnt) 器通道0 进行编程，并设置新的中断向量为中断服务程序入口地址： o u t p o r t b ( b a s e 一8 2 5 3 + 3 ，0 x 3 6 ) ；重新设置定时器0 控制字，采用方式3 o u t p o n b ( b a s e 一8 2 5 3 ，l m b ) ； 先写计数器低字节 o u t p o r t b ( b a s e8 2 5 3 ，h m b ) ：后写计数器高字节 s e t v e c t ( t i m e r _ i n t , t i m e i n t ) ：设置新的中断向量为中断服务入口地址 ( 3 ) 在程序退出前恢复原中断向量：s e t v e c t ( t i m e r i n t , o l dh a n d l e ) 。 1 5 电液伺服系统实时控制系统与先进控制方法的研究 2 4 2 光电码盘脉冲信号的实现 a 厂 厂 厂 厂 a 厂 厂 厂 厂 b 厂 厂 厂 广 百厂 厂 厂 厂 广 z 厂 z 厂一 图2 7 增量式编码器的输出脉冲 到b 脉冲上升沿，则表示该轴正转；反之， a 腻冲h 升沿则表示该轴反转。 增量式编码器在圆盘上刻有两 组光栅，当轴转动时，两组光栅产生 两组相位相差9 0 。的脉冲：a 组脉冲 和b 组脉冲。盘上还有一单个的窄 缝，旋转一周，只产生一个单独的脉 冲，称为零位脉冲，可以用来定位。 图2 3 描绘了增量式编码器的a 相脉 冲，b 相脉冲和零位脉冲。对于增量 式编码器，脉冲频率与旋转轴的转速 成正比。根据a 相、b 相脉冲的相位， 可以判别响应轴的旋转方向：当光源 先检测到a 脉冲上升沿，然后才检测 若先检测到b 脉冲上升沿，然后才检测到 在模拟器设计中，由于通过转台数学模型的调用知道转速大小，则根据转速的符 号，分别对脉冲信号进行编码。由于光电码盘的脉冲信号主要是由多功能数据采集卡 d o 来模拟实现的，所以对脉冲信号的编码也就是对功能卡输出端口数据的编码。在 实际应用中的光电码盘每转3 6 0 度产生1 8 0 0 0 个脉冲，因此脉冲周期可通过公式：t = 1 0 0 0 ( ( v 3 6 0 ) $ 1 8 0 0 0 ) ( 单位：m s ) 算得脉冲周期。假设采集卡低四位即d o ，d l ， d 2 ，d 3 分别对应a + ，a 一，b + ，b - ，且转台转速正时，端口输出数据为d a t a o u t ，则 对d a t a o u t 数据编码如表一所示，而当转台转速为负时，对d a t a o u t 的数据编码如表 二所示。 表一 表二 时间 d 0d ld 2d 3d a t a o u t t 41001 ( d a t a o u t & o x f o ) l o x 0 9 2 t 41010 ( d a t a o u t & o x f o ) l o x 0 5 3 t ，40110 ( d a t a o u t & o x f o ) l o x 0 6 4 弋沮o101 ( d a t a o u t & o x f o ) l o x o a l 时间 d 0d 1d 2d 3 d a t a o u t t 4 o110 ( d a t a o u t & 0 x f 0 ) 1 0 x 0 6 2 t 4 10 10 ( d a t a o u t & 0 x f 0 ) 1 0 x 0 5 3 t 41001 ( d a t a o u t & 0 x f 0 ) 1 0 x 0 9 4 t 4 0lo1 ( d a t a o u t & 0 x f 0 ) 1 0 x o a 1 6 南京航空航天大学硕士学位论文 清零脉冲z 通过设置键盘功能键获得。当判断有清零标志( 即f 7 ，f 8 ，f 9 中有任一键 按下) ，则将相应轴z 脉冲对应位的输出置高电平。 2 4 3 人机交互界面的实现 人机交互界面通过调用t c 0 2 5 库函数来实现图形界面。主要包括有自动手动的 切换，手动电流给定的设置，位置、速度的数字显示，及位置刻度表显示，行程越位 灯显示。当处于手动状态时，通过键盘输入电流大小，自动状态则通过调用8 1 8 a d 转换模块采集油源控制器伺服阀电流信号。且当模拟转台位置超出行程范围时，越位 指示灯亮。通过对中断的计次，设定每2 5 m s 更新窗口。 2 5 结论分析 该模拟器已经成功应用于电液伺服转台的控制系统的调试中。在接下来对系统的 调试都是基于该模拟器系统展开调试的，试验证明，利用该模拟器有效提高了控制系 统的开发效率，缩短转台控制系统的研制周期。但是由于计算机系统定时器的限制， 模拟码盘脉冲信号的最短周期为0 4 m s ，则模拟的转台最快转速为5 0 。s ，所以对转 台性能的调试带来了局限性。 1 7 电液伺服系统实时控制系统与先进控制方法的研究 第三章三轴液压飞行仿真转台控制系统设计 3 1 总体技术 该三轴液压模拟飞行仿真转台控制系统是在转台整体结构不变的情况下，进行控 制系统的改造，并研制数字通讯接口。方案采用全更换控制柜，以台体信号接口柜为 分界点，实现对转台的全部控制。研制的控制柜系统保留原来的全部操作使用功能并 有所扩展，在系统性能上不低于或接近原来系统性能。其技术要点包括： 在转台整体结构不改变的情况下，只进行控制系统的改造，并保持原来的动、静 态指标不变，安全保护功能及操作模式不变。 控制系统采用现代化的微机数字控制方式，能体现出控制灵活性且使用方便。 在整个转台的性能方面不降低原转台的技术指标。 采用全数字控制，以一体化工控机配以通用信号调理板完成信号的接口与控制。 采用数字式状态监控与数据采集系统完成转台的过程监控，仿真结束后形成数据 文件，以便数据的保存和回放。 采用w i n d o w s 监控操作界面，构成良好的人机交互界面，操作灵活、方便。 具备8 路1 6 位产品模拟信号采集功能，并可与转台位置、速率信号形成同时间 数据文件。 主要技术指标如下 内轴中轴外轴 运动范围1 2 0 05 0 。5 0 。 静态位置精度 o 0 0 1 。o o o l 。0 0 0 1 o 最大速度 4 0 0 。s2 0 0 0 s1 7 5 0 s 最小速度 0 0 0 1 。s0 0 0 1 。so 0 0 l 。s 频响( 9 0 。相移) 2 2 h z