（机械电子工程专业论文）电液伺服数字化测控系统研究.pdf

摘要 针对目前电液伺服系统要求向数字化控制方向转变的需求。本文对电液伺服系统的 数字化控制系统以及控制过程中出现的问题展开了基础研究。 本文对电液伺服控制系统的关键部件进行建模仿真，并根据此液压伺服系统的模 型，对整个系统的动静态特性进行分析。 在系统建模、分析的基础上，设计了数字p i d 控制器，对加载到控制器中的不同 幅值的方波和不同频率的正弦波进行了跟踪，并将试验结果进行了分析比较。 在分析数字p i d 控制的基础上，对数字p i d 控制加入了计算机辅助设计，在对参 数优化同时，也为电液伺服控制系统的数字化控制奠定了基础。 电液伺服系统从本质上分析是一个非线性系统，应用线性化的方法建模的结果存在 着较大的误差，本文采用系统辨识理论对位置系统进行辨识建模，然后对辨识结果进 行分析验证，确保辨识结果的准确性。 最终在对数字p i d 控制的各项参数优化并且对系统进行有效的补偿后，实现电液伺 服系统性能的提升。 关键字：伺服系统数字p i d 系统优化 a b s t r a c t w i t ht h er e q m r e m e n tt h a te l e c t r o n i ch y d r a u l i cs e r v os y s t e mn e e dt oc h a n g ef r o m s i m u l a t i o nc o n t r o lt od i g i t a lc o n t r o l ，t h i sp a p e rm a k e sab a s i cr e s e a r c ha b o u te l e c t r o n i c h y d r a u l i cs e r v os y s t e ma n ds o m eq u e s t i o n sw h i c hh a p p e ni nc o n t r o lp r o c e s s t h i sp a p e ra n a l y s i sd y n a m i ca n d s t a t i cc h a r a c t e ro ft h ew h o l es y s t e ma f t e rm a k i n ga m o d e la n ds i m u l a t i o na b o u tt h ep r i v o t a lp a r t si ne l e c t r o n i ch y d r a n l i cs e r v os y s t e m b a s e do nt h em o d e l i n ga n da n a l y s i sf o rs y s t e m ，t h i sp a p e rd e s i g n sad i g i t a lp i d c o n t r o l l e r , i ti su s e dt of o l l o wt h ed i f f e r e n ts i g n a l sa n dt h es y s t e mp e r f o r m a n c ei ss t u d i e d b a s e do na n a l y s i s i n gt h ed i g i t a lp i dc o n t r o l l e r , t h i sp a p e ra d d sp cc o n t r o lf o rt h i s d e s i g n i n g i tc r e a t e sac o n d i t i o nf o re l e c t r o n i ch y d r a u l i cs e r v os y s t e mc o n t r o l l e db yd i g i t a l p i d d i r e c t l y e l e c t r o n i ch y d r a u l i cs e r v os y s t e mi san o n l i n e a rt i m ev a r y i n gs y s t e m ，i fi ti sa n a l y s i s e d a sal i n e a rs y s t e m ，t h e r em u s tb eab i g g e re l t o r t h i sp a p e ru s e ss y s t e mi d e n t i f i c a t i o nt h e o r y t om a k eam o d e la n de n s u r et h er e s u l ti sr i g h t a f t e re v e r yp a r a m e t e ro fp i dc o n t r o l l e ri s o p t i m i z e da n dt h es y s t e mi se q u a l i z e d a v a i l a b l y , t h ep e r f o r m a n c e se x a l t a t i o no fe l e c t r o n i ch y d r a u l i cs e r v os y s t e mc o m e st r u e k e yw o r d s ： s e r v os t s t e m d i g i t a lp b ) s y s t e mo p t m m 蝴 i i 长春理工大学硕士学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的硕士学位论文电液伺服数字化测控系统研究是本人 在指导教师的指导下，独立进行研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容 外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品成果。对本文的研究 做出重要贡献的个人和集体，均己在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的 法律结果由本人承担。 作者签名： 长春理工大学学位论文版权使用授权书 本学位论文作者及指导教师完全了解“长春理工大学硕士、博士学位论文版权使 用规定”，同意长春理工大学保留并向中国科学信息研究所、中国优秀博硕士学位论文 全文数据库和c n k i 系列数据库及其它国家有关部门或机构送交学位论文的复印件和 电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权长春理工大学可以将本学位论文的全部或 部分内容编入有关数据库进行检索，也可采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇 编学位论文。 作者签名： 指导导师签名：撕 丛f ! 年月兰l 日 立f 旦年二l 月且日 第一章绪论弟一早三百比 1 1 课题来源及意义 在当今的自动化控制领域中，电液伺服系统越来越占据了重要的地位，它是一门 集液压技术、计算机编程、自动控制理论与一体的综合系统理论。电液伺服系统有许 多优点，其中最突出的就是响应速度快、输出功率大、控制精确性高，因而在航空、 航天、军事、冶金、交通、工程机械等领域得到了广泛的应用。电液伺服系统与曾经 盛行一时的模拟控制技术相比，尤其突出的优势，首先是由数字量控制保证了精度， 其次是计算机技术的应用也保证了其灵活的操控方式【l 】。目前，大多数的电液伺服系统 都要求向数字化控制方向转变。本文正是在这样的背景下，对电液伺服系统的数字化 控制系统以及控制过程中出现的问题展开了基础研究。因此确定系统的模型，并对系 统出现的问题做出有效的补偿，在补偿的过程中探明哪一些参数对系统性能起到至关 重要的影响，并由此继续探讨下一步的研究工作。本文首先对电液伺服系统进行建模， 利用m a t l a b 技术进行系统仿真，并描述了系统的静态特性和动态特性。对于电液伺服 系统，在多种因素的综合影响下不易建立精准的数学模型，并且在系统的相关参数发 生了改变之后，系统模型必然存在着一些误差，这就要求在研究的过程中建立精确的 系统的数学模型，在此基础上才能进行控制分析。因此采用系统辨识理论对电液伺服 阀进行深入的研究，本文首先进行建立数学模型，然后通过仿真和实际的数据对比之 后对结果进行了分析。针对对称缸系统，根据p i d 控制理论基础，从理论上分析了各 项数据对系统性能的补偿效果，在伺服试验台上实现了反馈的校正，有效提高了系统 的阻尼比。本文研究过程中采用了实验室的在研设备，充分利用计算机控制的优越性， 不仅对电液伺服系统的模型进行了深入的分析，也对以数字量精确控制伺服系统进行 了理论联系实际的分析。此伺服试验设备的制作成功，也可以为其他的相关研究提供 有利的基础。 1 2 电液伺服控制技术的发展历史与研究现状 电液伺服控制技术诞生于美国，其特点是响应速度快、预算精度高，并且在工业 界迅速得到普及。电液伺服控制系统是以液压动力元件为机构的主体，运用负反馈控 制原理，对输出信号加以控制的系统。该系统不但能够快速、精准地展现出各种输入 信号的变化规律，而且还能够对输入信号进行变化或放大。电液伺服控制已成为控制 界一门重要的研究课题，其设计的理论和方法受到了控制学很大的影响，使它的发展 阶段经历了从线性控制发展到非线性。 自上世纪五十年代麻省理工大学开始研究电液伺服控制系统，在之后的几十年中， 该控制技术大都是采用对工作点附近的增量线性化模型进行分析。最初采用p i d 控制 技术，不但控制规律简单而且容易掌握。然而，为了满足控制品质要求的不断提高， 原有的p i d 控制方法便不能完成全部的要求。这主要是因为电液伺服系统自身的特性 所决定的，首先，电液伺服系统是一个非线性时变的系统，存在这严重的不确定性， 来自于环境和外界的各项输入数据，很容易相互交叉产生干扰；其次，电液伺服系统 对频带宽度和追踪精度要求都很高，比如在航天领域，系统的频带宽度要求接近l o o h z ， 几乎接近并超过了液压系统本身的固有频率；此外，在保证高精度实现快速的信号追 踪的条件下，电液伺服系统的时变非线性的特性便起到了很大影响作用。这样的特性 使系统本身存在诸多问题，比如扰动大、时变的参数多、工作范围宽，最终难以准确 建模。在这些问题的作用下，对系统的稳定性、动态特性和精度都产生了很重大的影 响，尤其是在系统添加负载以后，其控制精度便难以预测。对于这样的情况，针对以 上的分析情况，再综合利用自适应控制、智能控制和计算机控制等技术，对原有的p i d 控制进行重新改进设计，使其适应行的要求1 2 】。 上世纪七十年代末至八十年代初，计算机技术的迅速发展为电子技术和机械技术 的结合起到了强大的推进作用。之后计算机控制技术又得以在电液伺服系统中应用， 是原来的复杂控制问题得以轻松实现。9 0 年代开始国内在电液伺服数字控制技术方面 展开了研究，目前全数字化的控制器基本取代了传统的模拟控制技术。也为控制参数 的自适应和自整定技术奠定了基础【3 】。另外自适应控制也使系统的鲁棒性和控制精度得 以提高，在解决众多工程问题上发挥了积极的作用。但是，如果系统存在严重的不确 定性亦或是外界对系统的扰动加大，此时的自适应算法对控制要求的实现以及对伺服 系统非线性因素的处理便很难使设计者满意。 近年来，控制学的进步推动了电液伺服控制系统的向前发展。此外，模糊控制、 神经网络控制等非线性控制技术的引入，也使电液伺服系统在控制方面的实施得以加 强。尤其是模糊控制方面，经过多年的努力，已经逐步实现了系统化的控制理论和方 法，在电液伺服系统的设计和制作中也得以成功的应用。 不过，虽然电液伺服系统已经取得了长足的进步，但依然存在着很多问题。比如 非线性系统控制理论的不完整，在设计过程中对控制方法的实现、关键元件的稳定性 分析以及智能控制理论结合实际的应用还存在着很多弊端和局限性。此外，负载对系 统的干扰也是一个一直让设计者都无法忽略的问题，于是在设计和控制的过程中，还 必须考虑负载对系统的影响。还要必须考虑的是非线性负载的问题，必须从整个非线 性闭环系统的全局去研究和分析。最终的目的是建立一个较为完善并且规范的非线性 设计理论。 1 3 电液伺服阀的国内外研究现状 作为电液伺服控制系统的关键元件，电液伺服阀是一种在接收工控机传递给它信 号后能够对液压系统的流量和压力进行调节的控制阀。由于它具有动态响应迅速，精 度高等特点，现己在电液伺服控制领域中得到广泛的认可和使用。 2 目前对于电液伺服阀的研究的焦点在于其如何对阀本身的加工进行改进，另外一 点就是自身材料和测试方法的改进。 在结构改进方面：由于伺服阀是整个伺服系统的关键元件，所以它的性能直接影 响着伺服系统的开发以及研制水平，所以针对这种情况必须要对伺服阀的结构进行精 心的设计和改造。在设计的过程中还要考虑到可靠性的问题，因为只有保证伺服阀的 可靠才能进一步的去要求伺服系统的可靠性。众所周知对于伺服阀导致其失效的一个 最根本的原因就是伺服阀受到污染，于是在世界各地的开发商和设计者都不遗余力的 对伺服阀的结构进行改进，其中射流管式和偏导式就是在进行结构改进后的优秀代表。 在航天大国俄罗斯，对射流管式伺服阀进行了改进设计，在阀的两侧配置了双冗余传 感器。这就可以通过传感器随时对伺服阀进行检测，在出现故障时就能采取自动切换 到备用伺服阀的模式，从而大大的提高了整个伺服系统的稳定性和可靠性。目前在美 国和俄罗斯在之前的研究基础上研制出了结构更加优良的伺服阀机构，并广泛用于航 天领域。在国内伺服阀的研制与发展也取得了很大的进步，早在上个世纪九十年代， 我国相关的研究单位也研制成功了三余度的伺服机构，对于伺服阀中的关键元件，如 力矩马达、反馈元件、滑阀都部件配置备用件，传感器反馈系统故障时便能够立即切 换，从而保证了伺服系统的正常工作。此外还有其他的一些伺服阀的机构设计也在工 业中得到了广泛的应用比如：多线圈结构、外接滤器式等1 4 】。 在加工工艺方面，大多数的设计者都将精力集中在采用新型的加工设备，努力提 高加工精度等方面。在力矩马达的加工制作过程中，着重考虑的是焊接方面的问题， 中船重工7 0 4 研究所在参考了国际的先进经验的同时，努力研制最终将国际先进的焊 接技术融入到对与力矩马达的生产过程中，并且取得了非常好的效果。此外，哈工大 还研制出了智能化的伺服阀，其中包括了一个对力矩马达的弹性检测装置，从而很好 的解决了从前手动测量过程中出现精度低、效率低等问题。此弹性检测装置能高效的 完成各种刚度测量，测量之后自动生成测量曲线，并且误差很小。对于阀芯的加工制 作方面，哈工大也在努力研究的基础上颠覆了传统的气动配磨方式，采取了智能化的 配磨系统，从而在很大程度上提高了测量结果的精度和准确度。 在材料更替的方面，首先要考虑对伺服阀内部一些重要的零件的材料进行更替， 使它们具有更好的强度和弹性等机械性能。另外对于应用到特殊用途的伺服阀采用特 殊的原材料。比如德国的某公司，利用红宝石材料制作伺服阀喷嘴的挡板，从而防止 了因气馈造成挡板和喷嘴的损伤，这样的做法不但提高了系统的静态性能，也是伺服 阀的工作寿命大大增加。针对机械反馈杆的球头部分也利用了相同的材料，避免了头 部和阀芯槽之间的相互磨损【5 】。另外对于伺服阀内部的密封圈国内的有关单位也做了相 应的材料更替，比如对伺服阀内部添加耐腐蚀的密封圈，这就使整个伺服阀在耐腐蚀 性能方面得到了很大的提高。 在改进测试方法方面，很多单位对伺服阀的动、静态性能的测试和分析都是直接 利用到了发达的计算机技术，并根据分析结果，作出了更深度的研究，比如用最优信 号测试法或数字滤波等方法对伺服阀的测试设备进行了进一步改进并开发出了性能更 优良的伺服阀产品。 1 4 课题的提出及论文的主要工作 针对电液伺服系统的发展及研究现状来看，虽然电液伺服系统已经很成熟，但控 制部分大都集中在模拟控制，对与数字控制系统以及实际应用还尚不成熟，一些技术 还需要继续的研究。针对以上问题，确立本论文的主要工作： ( 1 ) 建立电液伺服动力机构系统，并在此基础上，针对电液伺服系统的关键部件伺 服阀以及阀控对称缸的控制方面进行理论分析并建立其数学模型； ( 2 ) 对伺服控制单元进行优化设计和研究，从软硬件两方面伺服系统的关键部件伺 服阀以及阀控对称缸的控制方面进行理论分析并建立其数学模型保证系统进行数字化 控制的顺利实现； ( 3 ) 设计了数字p i d 控制器，并根据给定的不同幅值的方波和不同频率的正弦波， 对p i d 控制的伺服系统的响应品质进行分析； ( 4 ) 从理论上解析建模下存在误差的原因，利用系统辨识的方法对系统进行辨识， 然后对系统进行了有效的反馈补偿，最终使系统的性能得到提升。 4 第二章液压伺服系统建模与分析 在本章中首先介绍电液伺服系统试验台的结构包括相关应用到的硬件设备。对 电液伺服阀的动力机构的关键部件进行建模仿真，并根据此液压伺服系统的模型，对 整个系统的动静态特性进行分析。 21 电液伺服系统试验台的基本参数 本课题所采用的是实验室自主设计和研发的的电液伺服系统试验台，如图21 所 不： 图21 电液伺服系统试验台 本伺服系统的基本参数如下： 2 1 1 主要技术指标 ( 1 ) 试验机主机： 采用卧式加载结构，工作台( 铸件) 结构 ( 2 ) 作动嚣额定动、静负荷： = i ：2 0 k n ： ( 3 ) 负荷精度： 拉压两个方向精度均为示值的l ： ( 4 ) 作动器最大位移： 士1 0 0 m m ： ( 5 ) 位移精度： 拉压两个方向精度均为满程的士1 ： ( 6 ) 试验频率： 0 0 1 1 0 h z ； ( 7 ) 试验波形： 正弦波、三角波、方波、组合波、随机波等： ( 8 ) 控制方式： 位移和负荷两种控制方式，且二者可以在液压开启的状态下平滑切换： ( 9 ) 计算机控制： 计算机控制试验的全过程；包括采集、处理显示和记录试验参数，并可实时显示 试验波形。具有负荷计算机自动调零、换档。位移，负荷的p i d 计算机调节计算 机发函数发生器波形控制。具有计数功能，计数器总容量1 0 7 次，虚拟面板具有 予置、清零以及予先设置参数到可自动停止试验等功能； ( 1 0 ) 具有极限设定保护功能： ( 1 1 ) 液压源的额定压力2 1 m p a ，额定流量3 0 l m i n ，液压源系统滤油清度5 1 x m ，油箱 容积大于6 0 l ，并带有液压油循环水冷却器，冷却水流量大于3 0l r a i n 。 2 2 电液伺服系统基本结构 p g s 2 0 k n 电液伺服齿轮齿条转向器逆转耐久试验台是由伺服作动器、铸钢工作 平台、液压动力源、伺服控制单元和工业控制计算机等几部分组成。试验系统的设计 思想本着试验件安装方便，保持系统的完整性、通用性及合理性，该机采用卧式工作 台结构如图2 1 所示。试验系统主机铸造工作台采用高刚度设计。工作台面加工t 型槽 便于试验件的安装伺服作动器采用卧式安装结构，伺服作动器通过主轴于主机工作台 高刚度连接，伺服作动器可根据试验件的安装位置在工作台的轴向移动和偏角度安装。 该作动器具有低磨擦，低阻尼及较强的荷载能力，其内部同轴安装高响应的线性位移 传感器，试验夹具与力传感器及作动器活塞串联式安装，具有过零试验间隙消除机构1 6 j 。 2 2 1 伺服作动器 伺服作动器是在电液伺服系统中产生力和位移的装置，是系统中关键部件之一。 该作动器的设计保证了在额定负荷时，具有高频率响应，获得最佳动态性能。图2 2 是其外形结构图。该伺服作动器主要由：等差式双腔油缸、伺服阀、负荷传感器、位 移传感器和连接底盘等组成。 6 圈22 伺服作动器结构图 电液伺服作动器用于对被试件转向器总成进行动态、静态加载试验，要求其阻尼 小，频响快，所以我们采用低阻尼电液伺服作动器。该作动器轴承采用非金属材料。 通过填加少量物质，使其摩擦系数低，材料稳定性能好，加工精度高，具有较大的抗偏 载能力。其目的是大大降低启动摩擦力，保证作动嚣能承受大的侧向力时具有高频响 及高的使用寿命【7 1 。 222 伺服油缸 伺服油缸为双动式，轴向加荷的直线作动嚣其基本结构为等容积的双腔形式， 结构原理如图22 所示。 圈22 伺服油缸原理圈 在电液伺服系统中，伺服油缸的工作原理为：液压油通过伺服阚作用到活塞一端， 推动活塞运动，直至与被控制对象的传愍器接触产生作用力。液压源给出的压力油 经伺服阀后由伺服阀的两个出油口分别连到伺服作动器的两个油腔根据两腔的压差 大小得到不同的试验力。 223 电液伺服阀 电液伺服阀是一个机、电综合的闭环控制系统。系统由伺服阀作为电一液转换器 件，伺服阀根据伺服控制器的信号以开启或闭合的方式控制伺服作动器，其输入信号 电流大小与输出液压流量成正比，伺服阀可以向两个方向中任意方向开启、闭合。控 制信号的极性确定伺服作动器活塞的运动力与作用力的方向。电液伺服阀选用高频晌 阀，从而保证电液伺服作动器具有频响快、频带宽的特点。 2 2 4 负荷传感器 负荷传感器采用轮辐式结构、应变式测量原理。具有测量精度高、响应速度快、 抗侧向力能力强的特点。 2 2 5 连接底盘 底盘是用来连接作动器与工作平台的，采用内嵌轴承的可水平转动的底盘，在加 载过程中，它可以水平转动，以消除侧向力对油缸的影响。 2 2 6 铸钢工作平台 体积为2 4 0 0 x 8 0 0 x 1 5 0 m 【n ，表面开有七条等间距的t 型槽，用来固定台面上的连 接工件。另外，在台面的一角还有一个排污口。 2 2 7 液压动力源 液压源是为整个机器提供动力，它采用日本“不二越”的内齿轮咬合式泵机组， 具有噪音低、输出压力稳定的特点。该液压动力源安装在主机工作平台的下面。与主 机平台形成一体，结构非常紧凑。 2 3 针对电液伺服系统的关键元件的建模与分析 2 3 1 对电液伺服阀的数学建模【8 1 电液伺服阀将电信号传递处理的灵活性和大功率液压控制相结合，可对大功率、 快速响应的液压系统实现远距离控制、计算机控制和自动控制。电液伺服阀由力矩马 达、液压放大器、反馈机构( 或平衡机构) 三部分组成。液压放大器控制液压能源流 向液压执行器的流量或压力，通常包括前置放大器和功率放大器两级。前置放大器将 力矩马达或力马达的输出加以放大，再去控制功率级阀。常用喷嘴挡板阀、射流管阀 和滑阀作前置级。功率放大级一般用滑阀。按反馈类型分，电液伺服阀可分为位置反 馈、负载流量反馈及负载压力反馈三种。电液伺服阀用伺服放大器进行控制。伺服放 大器的输入电压信号来自电位器、信号发生器、同步机组和计算机的d a 数模转换器 输出的电压信号等。其输出参数即电一机械转化器的电流与输入电压信号成正比。电液 伺服阀在系统中一般不用作开环控制，系统的输出参数必须进行反馈，形成闭环控制， 因而其比较元件至少要有控制和反馈两个输入端。有的电液伺服阀还有内部状态参数 的反馈。 电液伺服阀的性静态特性： ( 1 ) 负载流量特性( 流量一压力特性) ：该特性表示在稳定状态下，输入电流、负载 流量和负载压力三者之间的关系。主要用来估计或确定伺服阀的规格型号，以便与所 要求的负载流量与负载压力相匹配。估计伺服阀规格的主要方法是：用阀对应最大输 入电流的那条特性曲线包围系统工作循环中负载流量与负载的所有工况点，并确保负 载压力，这样就保证了所有负载都在伺服阀的能力范围之内。 ( 2 ) 空载流量特性：该特性描述了在给定的伺服阀压降和负载压力为零的条件下， 输入电流与空载流量的特性曲线。理论上，空载流量与输入电流是线性关系，但实际 上由于磁滞现象，空载流量特性也包含了滞环、零偏等性能指标。 ( 3 ) 压力灵敏度特性：该特性是输出流量为零时，输入电流变化引起负载压力的变 化。 ( 4 ) 内泄漏特性：内泄漏流量是在负载流量为零和规定压差下，由回油口流出的内 部泄露流量，泄露流量随输入电流变化而变化。在理论上描述了由于实际流量等原因 造成的电液伺服阀能量的损失。 电液伺服阀的建模一般分为两部分，首先要考虑的是控制电流和伺服阀阀芯之间 的关系，另外要考虑的是阀芯位移与负载流量之间的关系。但是由绪论中对电液伺服 阀介绍可以知道目前电液伺服阀的设计多种多样，这就导致了每个伺服阀都有其自己 独特的结构设计和机械特性，因此我们就比较难于确定控制电流和阀芯位移的关系， 但是阀芯位移以及负载流量的关系则比较容易确定 9 1 。因此，我们将只针对伺服阀的阀 芯位移和负载流量的关系来对其建立数学模型。 阀芯位移与伺服阀流量的关系如式( 2 1 ) 所示： 骁= c d 一如瓜 ( 2 1 ) 其中：骁一负载流量； o 一流量系数； 0 3 一窗1 2 1 面积梯度； x 一阀芯位移； p 一流体密度； p s 一油源压力； 仇一负载压力； 使用泰勒公式将上式展开可求得其线性模型如式( 2 2 ) 所示： q l = k x x k 。皖 ( 2 2 ) 式中： k x = 警k 畸缈仨瓜 ( 2 3 ) 9 母糇：簇， 亿4 ， k 。一伺服阀的流量压力特性； 2 i k p = 罢 ( 2 5 ) 上式表述了伺服阀受到压力时的灵敏度特性，也就是伺服阀的启动特性，k 。越大 针对本文所研究的电液伺服系统应用到的是流量伺服阀，我们将会在下面的分析 中导出流量阀的线性模型。当负载的压力一定时，电液伺服阀的数学模型可以用如下 q = f ( i ，) ( 2 6 ) 于是流量伺服阀的数学模型就可以用如下数学式( 2 7 ) 表示： ( 2 7 ) 其中：k 一伺服阀空载时的流量增益； 巧一伺服阀负载时的流量增益； 知z 一伺服阀阀芯定位回路的阻尼比； 钆一伺服阀阀芯定位回路的一阶转折频率； 钆：一伺服阀阀芯定位回路的二阶固有频率； 对电液伺服阀的数学模型进行线性化处理，于是得到伺服阀的线性数学模型和模 型框图。 伺服阀的线性数学模型表达式如式( 2 8 ) 为： 1 0 q 2 盏 国2 ，2 。哆2 ”1 命刚d 2 三s 2 壶2 善磊2 功y 2 q 2 ( 2 8 ) ( 2 9 ) 图2 3 伺服阀模型框图 根据上面的框图，司得如f 的传递函数如式( 2 1 0 ) 所不： 肛兰竺竺盏竺：望9 21 。 芝s 3 + s 2 + ( 上二+ 堡1 s + 1 4 f l 。c , k ,k、4 屈cc r k ( 2 1 0 ) 2 3 2 对阀控缸建立数学模型【1 0 】： 阀控对称缸的示意图如图2 4 所示： 液压缸有效工作面积： 图2 4 阀控对称缸示意图 4 = 三( d 2 - d 2 ) 其中：d 为油缸内径； d 为活塞杆内径。 系统总压缩容积( 液压缸和阀至液压缸两侧管路总容积) ： k = 日舻+ 为位置系统动态分析经常在零位工作条件下，此时增量和变量相等，所以阀的线 性化流量方程如式( 2 11 ) 所示： q l = k q x ，一疋凡( 2 1 1 ) 液压动力元件流量连续性方程如式( 2 1 2 ) 所示： q 2 力+ 4 鲁+ 老鲁 ( 2 m ) 巳为液压缸总泄漏系数。 液压缸的输出力与负载力的平衡方程如式( 2 1 3 ) 所示： 伽工叫争+ 廓鲁+ 戤尸+ 五 3 ) 1 2 式中m ，为活塞及负载总质量；吃为活塞及负载的黏性阻尼系数；k 为负载弹簧刚 耻两弱 q 都一葛弼历弓而筝飘 拦j 4 耳：互k q 毒k 孚垒i t , 一s ) f l ( 2 1 5 )1 s ( + 堕s + 1 ) 、 k 9 垒： 一 ( 2 1 6 ) 矗s ( + 盗川) r 国i 则液压缸- 负载的传递函数为式( 2 17 ) ： 1 立：生 骁s ( 乓+ 盗川) ih 其中：呒= ( 2 1 7 ) 总流量压力系数如= 墨+ c 液压缸总泄露系数c 0 较阀的流量一压力系数丘小 得多，所以彘主要k c 来决定，零位压力系数。 舯吒= 氅 而系统的流量增益为式( 2 18 ) ： b 鸹等 厍 乞一阀芯与阀套间隙的行向间隙；w 一阀面积梯度；一油液的动粘度，取 ( 2 1 8 ) 对于全开口阀形= x d 阀门。 e k 。p e m 一百1 了 综合以上2 1 5 2 1 8 式可得阀控缸的数学模型如式( 2 1 9 ) 所示： 妻：! 卜 ( 2 1 9 ) 骁s ( 舞噜川) p 一 2 - 3 3 针对整个电液伺服系统建模【1 1 】 在前面的分析和推导中我们相继得到了伺服阀和阀控缸的数学模型，在接下来的 分析中我们将建立整个液压伺服系统的数学模型，首先我们确定液压伺服系统的控制 结构框图，如图2 5 所示。 f - 图2 5 液压伺服系统的控制结构框图 对电液伺服阀采取线性化分析，得到伺服阀的线性数学模型如式( 2 2 0 ) 所示： 吩2 q ( s ) f + 皿( j ) 。叮马( j ( 2 2 0 ) 1 4 不： h i ( 加警啪) 皿( s ) = s 硒i v5 2 j 十亏d 2 ) 姒曲2 罩= i 孟i 磊1s 。+ s 。+ l + 卫塔+ 4 p t ks k s、4 f l e c t c t k s 。 图2 6 液压伺服系统的线性模型结构框图 2 4 针对整个电液伺服系统进行数学仿真 在上一节中我们对液压伺服系统的两个最主要的部件一伺服阀和阀控对称缸进行 了分析和建模，在此基础上我们对整个液压伺服系统进行数学建模。在本节中我们将 根据已经建立的数学模型应用m a t l a b 技术对整个液压伺服系统进行仿真分析【1 2 】。 我们首先给出液压伺服系统的开环的传递函数，如式( 2 2 1 ) 所示： k h k g o ( s ) 生兰瓯( s ) q 曲2 磊曩礤丽蔫露一q 2 。 州砀箬i ，+ 丢 等瓯( 咖，t ( _ 葛+ 矗) 1 + 等瓯( 刚 。 1 5 频带宽度，于是我们令g 。( o ) g 肼( j ) ，所以液压伺服系统的开环传递函数经过变化后 如式( 2 2 2 ) 所示： k 6 c ( s ) 掣瓯( o ) g ( s ) = ：! 彳一( 2 2 2 ) 。砺彖s 3 + 瓦j 【1 + j l z ，( o ) 】s 2 + ( 去+ 爱必+ 【1 + 鲁瓯( 0 ) 】 。 上式( 2 2 2 ) 我们是在系统不加任何校正的条件下导出的，所以此时的开环传递函数 加以分析，此时的g c ( s ) = 1 ，那么系统存在静差是零型系统。 经过计算后得出何服系统的闭环传递函数如式( 2 2 3 ) 所示： ( s ) = 毛) 警叫) 丽i vj 3 + 瓦j 【1 + 等瓯( o ) 】s 2 + + 矗p + 【1 + 鲁瓯( o ) 】( 2 2 3 ) + x h k q ( s ) 掣瓯( o ) 乙 m ， j = 一 m m 对系统闭环传递函数加以分析，首先我们可以得到系统为无零点的三阶特征方程， 那也就是说伺服系统的闭环b o d e 图一定存在相移滞后的情况。 应用m a t l a b 仿真软件根据系统的开、闭环传递函数进行数学仿真，得到系统的特 性曲线如图2 7 、图2 8 以及图2 9 所示。 图2 7 是未加校正的伺服系统的闭环b o d e 图，经过分析幅频响应图我们首先可以 确定，我们仿真的液压伺服系统是不稳定的，因为正常的情况下我们规定相位裕度在 4 5 。7 0 。的系统是稳定的，而从图2 7 中得到系统的相位裕度y = 1 6 8 。，另外正常的稳 定系统要有足够大的幅值裕度，幅频宽度，从图2 7 显示的结果来看，都未能满足。7 1 6 b 峨叼r 栅 ! ； 。 h - 、 了 砷：= 、 、h n f r e 4 。q0 * 嘲 图27 未加校正的闭环b o d e 图 圉2 8 未加校正的单位阶跃响应图 帅 o ez 8ft 圈2 9 未加校正的正弦响应图 图28 和图2 9 分别为系统经过仿真后得到的单位阶跃响应和正弦的响应图，系统 的超调量比较大，这就导致系统响应时间比理想的系统要长很多。 通过仿真的结果我们可以看出，我们所设计的电液伺服系统的性能还需要通过校 正才能够达到优化。众所周知闭环系统的稳态性能我们可以从开环频率曲线的低频段 得出，动态性能以及抗噪声性能也可以从开环频率曲线的中、高段得出，这就让我们 对系统存在的问题一目了然了，首先系统的相角裕度和截止频率都比较小，这样就严 重的影响到了系统的响应时间，另外在前面的分析中系统没有足够大的幅值裕度，幅 频宽度，这就要求我们接下来要调整低频段的增益满足系统的稳定性；增加频带宽度 满足相角裕度的要求；减小高频段的增益让系统尽快达到稳定状态并且消除噪声的 影响。在接f 来的章节中我们将对目前系统存在的问题进行调整和优化。 2 5 本章小结 在本章中，首先我们对要研究的电液伺服系统的数学模型进行建立在利用m a t l a b 仿真后我们发现系统存在着诸多不足的地方，即未加任何校正的伺服系统还不能满足 我们的要求。与此同时我们还要注意到一点，那就是在本章节中我们建立的数学模型 是在理想状态下建立的，并没有完全考虑到其他一些因素对系统的影响。 在接下来的章节中，我们首先耍采用p i d 调节的控制方式对系统目前的性能进行 校正通过对数字p i d 控制器的设计来逐步达到伺服系统的数字化，另外整个液压伺 服系统还需要对其软硬件的配置加以论述说明，这些我们都会在第三、第四章继续论 述说明。 第三章伺服控制器设计与分析 对于伺服数控系统的设计，目前在国内外有三种设计方式：一是将控制器形成外 置独立单元；二是制作伺服控制卡嵌入计算机当中；三是利用计算机直接控制。关于 第二种伺服控制卡式结构，是把测量单元及控制程序集成到一块控制卡中，利用工控 机的i s a 总线进行通信，其优点是各单元自由组合并且集成度高、制作技术成熟、具 有一定的独立性【1 3 】。本文所研究的伺服控制系统也将采用伺服控制卡式结构。该数控 系统的核心器件是d s p 全数字控制器，它配备标准的i s a 总线卡，嵌入工控机当中， 与工控机共同构成一个完整的伺服控制系统。 3 1d s p 和c p l d 技术介绍 在本文所设计的电液伺服系统中，应用到d s p 和c p l d 等技术，下面对这两种技 术先做一下简单的介绍： 3 1 1 关于d s p 技术 通常，一个典型的d s p 系统应包括抗混叠滤波器。数据采集a i d 转换器、数字信 号处理器d s p 、d a 转化器和低通滤波器等，其组成框图如图3 1 所示。 一x ( n ) 抗混叠滤波器一a d 转换器卜数字信号处理器 1一 图3 1 典型的d s p 系统组成框图 d s p 的系统的处理过程【1 4 1 ： ( 1 ) 将输入信号x o ) 进行抗混叠滤波，滤波高于折叠频率的分量，以防止信号频谱 的混叠： ( 2 ) 经采样和a d 转换器，将滤波后的信号转换为数字信号x ( n ) ； ( 3 ) 数字信号处理器对x ( 九) 进行处理，得到数字信号y ( n ) ； ( 4 ) 经d a 转化器，将y ( 聆) 转换成模拟信号； ( 5 ) 经低通滤波器，滤除高频分量，得到平滑的模拟信号y ( t ) 。 需要指出的是d s p 系统可以由一个d s p 芯片和外围电路组成，也可以由多个d s p 芯片及外围电路组成，这完全取决于对信号处理的要求。另外，并不是所有的d s p 系 1 9 统都必须包含框图中所有的部分。 基于d s p 的数字信号处理系统，其优点【1 5 】如下： ( 1 ) 接口方便： 数字信号处理系统设置了丰富的接口，这样就使它与目前很多数控系统相互兼容， 利用这些接口可以轻松的实现很多数控功能。 ( 2 ) 编程方便： 设计人员可以灵活的使用各种计算机语言，比如c 语言或者汇编语言为系统的软 件进行修改和升级。 ( 3 ) 具有高速性： d s p 系统的运行速度较高，最新的d s p 芯片运行速度高达1 g m i p s 以上。 似) 稳定性好： d s p 系统以数字处理为基础，受环境温度以及噪声的影响较小，可靠性高，无器 件老化现象。 ( 6 ) 精度高： 针对十六位的数字系统，其运算精度可达至l j l 0 。 ( 7 ) 可重复性好： 对于数字系统对于元件的参数影响比较小，所以在生产过程中可以实现大规模的 批量生产，在测试和调试过程中也十分方便。 ( 8 ) 集成方便： 数字信号处理系统内部有高度规范性的数学组件，为其开发过程中的大规模集成 提供了便利条件。 但是，d s p 也存在着诸多不足，比如，d s p 的成本较高，如果对于简单、易于信 号处理的任务，选择d s p 芯片就会让成本提高，从而导致研究出来的产品缺乏市场的 竞争力。另外一点是数字信号处理系统一直都被外界可能出现的高频干扰和电磁泄露 等问题所包围，再者数字信号处理系统对功率的消耗也比较大。此外，d s p 技术需要 具备良好的数学知识来作为其技术支撑，这就使技术的普及遇到了阻碍【l6 】。 上面叙述了关于数字信号处理系统的一些优点，同时也存在着一些缺点，但是其 在各项技术和各种工矿产业中的使用足以证明了它的优势，对于本文所研究的电液伺 服控制系统，我们也将采用t i 公司生产的2 4 0 系列的d s p ，作为将要设计的全数字测 控器的核心器件。另外在其周围将伺服处理模块、功率驱动模块、a d d a 模块集成在 一起，再配备标准的i s a 总线的形式，形成一块完整的测控卡并嵌入到工控机内部， 这样就和工控机一起形成了一套完整的伺服控制系统。 该控制系统采用的是全数字有差闭环伺服控制系统，d s p 通过内部定时器产生的 信号源控制指令，与反馈信号进行比较，出现误差时，利用d s p 对其进行运算，再反 馈回一个调节信号传送到伺服阀驱动器上。而油源输出的高压油流经滤油器、蓄能器 也进入电液伺服阀。根据伺服控制器的电信号，伺服阀控制高压油交变的输入到作动 器的上下油腔推动油缸向着指令要求的方向运动。整个控制过程就是调节器不断的调 节指定信号与反馈信号之间的差值，最终保证误差最小。 3 1 2 关于c p l d 一复杂可编程逻辑器件 2 0 世纪7 0 年代，最早的可编程逻辑器件一p l d 诞生了。其输出结构是可编程的 逻辑宏单元，因为它的硬件结构设计可由软件完成，因而它的设计比纯硬件的数字电 路具有很强的灵活性，但其过于简单的结构也使它们只能实现规模较小的电路。随着 集成工艺的发展，p l d 的集成规模越来越大，当前p l d 的集成规模己从低密度的p a l 和g a l 器件，发展到万门以上的复杂可编程逻辑器件。 c p l d 采用c m o s 、e p r o m 、e e p r o m 、快闪存储器和s r a m 等编程技术，从而 构成了高密度、高速度和低功耗的可编程逻辑器件，c p l d 的i o 端数和内含触发器多 达数百个，其集成度远远高于前面介绍的可编程逻辑器件p a l 和g a l 。因此，采用 c p l d 设计数字系统，具有体积小、功耗低、可靠性高以及灵活性等特点。 3 2 电液伺服系统的硬件结构设计 由于该控制器采用的是嵌入计算机内部的卡式结构，这就要求该控制卡的集成度 要高、要能独立工作、功能齐全、功耗还要小。所以下面的硬件设计基本是围绕这个 要求考虑的。 3 2 1 通讯接口设计 动态伺服控制器由于要对高频信号进行实时的处理，同时要高速传送给上位计算 机进行实时显示，所以上下位机之间的数据传输量大、传输速度快。因此该传输方式 必须采用并行接口，这样才能满足高速、大容量的需求。在并行传输的方式上；比较 可靠而且不丢数据的方法有：握手方式、兀f o 先进先出方式和d m a 方式等。传统的 握手通讯方式，需要上、下位机工作在中断方式才有可能保证实时性，这种方式占用 大量的中断时间，对控制卡的p i d 运算影响比较大。f i f o 接口应用比较方便，但灵活 性差，由于没有同步的信号，容易错位。d m a 方式需要硬件对总线进行切换，所以硬件 比较复杂，而且也需要中断进行批处理，非常麻烦。 我们设计的方法是通过双端口r a m ( i d t 7 1 3 2 ) 采取标准的计算机i s a 总线，来实 现控制卡与计算机的接口通讯。利用双口r a m 的两套总线可对同一个存储单元操作的 特点，将其中一套总线与i s a 总线相连，另一套总线与d s p 总线相连，通过共同访问 的存储单元进行相互通讯，这样不仅解决了板卡空间问题，同时由于双口r a m 的存储 量大，也扩展了其接口的数据通讯范围、。这种方式扩展了工控机与控制卡共用的数据 存储区，使数据的通讯实时无阻碍。 3 2 2 伺服处理模块的选择 我们研究的数字控制卡，主要是应用在动态电液伺服系统中，目前国内动态电液 伺服的响应频率最高可达到l o o h z 。按照采样定理计算以1 0 0 h z 频率设计的控制器采 2 1 样频率最低也要达到1 0 0 0 次秒，在考虑采样过程中的噪音和精度问题等，一般动态 电液伺服控制器的采样频率在5 0 0 0 次秒以上，也就是说数字控制器的运算周期要能 达到5 0 0 0 次秒。 另外，考虑p i d 运算的精度至少应该是1 6 位运算精度。按照以上这些条件的要求， 如果采用8 位处理器无法满足要求。在1 6 位处理器中，基本指令周期也应该在n s 级。 根据当时流行的趋势，主控制器我们采用了t m s 3 2 0 f 2 4 0 系列d s p 处理器。该处理器 是专为机电控制设计的d s p 处理器，它是1 6 位定点处理器，基本指令周期为5 0 n s ， 另外供电电压为+ 5 v ，与外部的接口电平不需再转换，硬件接口方便，器件功耗低，硬 件环境完全满足设计要求。为提高控制精度，我们对p i d 运算采用3 2 位整形数运算。 对单通道系统，一般典型的p i d 控制程序，每次中断运行约5 0 0 条左右，每秒设计中 断5 0 0 0 次，每个控制周期内控制指令运行时间为0 1 2 5 s 。可见，d s p 芯片是绝对可以 满足这种时间要求的1 1 7 j 。 3 2 3a d 和d a 的设计选型 a d 和d a 的选型要与实际的需求和d s p 处理器相匹配，选择位数高了速度会相 应下降，而且成本也会很高，另外硬件电路