液压伺服与比例控制系统 课件 9电液伺服与比例控制系统设计实例

电液控制系统设计实例电液伺服与比例控制系统一、确定设计要求二、拟定控制方案三、动力元件匹配四、位控仿真校正五、速度仿真校正六、力控仿真校正七、实际应用效果单腿髋关节动力元件油源控制器膝关节动力元件伺服放大器确定设计要求一被控量要求1900mm125mm长度85mm左极限位置右极限位置负载特性要求2确定设计要求一稳快准要求3指标位置控制系统要求稳定性幅值裕度≥10dB相角裕度≥50°超调量≤30%快速性频带宽度＞20Hz稳定时间≤0.2s准确性稳态误差(阶跃响应)≤1%指标速度控制系统要求稳定性幅值裕度≥10dB相角裕度≥50°超调量≤10%快速性频带宽度＞15Hz稳定时间≤0.08s准确性稳态误差(阶跃响应)≤2.5%指标力控制系统要求稳定性超调量≤10%快速性频带宽度＞50Hz稳定时间≤0.4s准确性稳态误差(阶跃响应)≤10%拟定控制方案二闭环控制还是开环控制闭环控制?节流控制还是容积控制?伺服控制还是比例控制?节流控制伺服控制动力元件匹配三动力元件计算1直径D=25mm工作压力：21MPa考虑余量:25L/min动力元件匹配三控制元件选取2伺服阀流量增益伺服阀增益动力元件匹配三其他元件选取3伺服放大器位移传感器拉压力传感器研华工控机可采集±10V的电压信号可输出±10V的电压信号。图片源自深圳赛德力（/）图片源自航宇（(/)）图片源自研华科技（/）图片源自（/）位置控制系统仿真及校正四指标位置控制系统要求稳定性幅值裕度≥10dB相角裕度≥60°超调量≤30%快速性频带宽度＞20Hz稳定时间≤0.2s准确性稳态误差(阶跃响应)≤1%控制框图：位置控制系统仿真及校正四位置控制系统仿真1传递函数：仿真框图：Ⅰ型无差系统数学模型仿真模型位置控制系统仿真及校正四位置控制系统仿真1初始状态2mm阶跃信号Kp=1Kp=3.5快速性差稳定性差时域Kp=1时，1Hz正弦信号准确性差位置控制系统仿真及校正四位置控制系统仿真1频域系统开环Bode图(Kp=1)L=12dBγ=88°0dB-180°幅值、相角稳定裕量过大系统性能差如何做？位置控制系统仿真及校正四工程PID校正2Z-N参数整定规则KP=0.6KprKI=0.5TcrKD=0.125TcrKpr=4.1Tcr=0.05s位置控制系统仿真及校正四工程PID校正2正弦响应对比图PID校正bode图跟随性、快速性提升改变低频和高频的斜率指标要求设计结果指标要求设计结果幅值裕度≥10dB5dB相角裕度≥50°89°稳定误差≤1%0频带宽度＞20Hz23Hz✖复合校正3(1)加速度反馈校正L1=12dBL2=25dB

加速度反馈原理振荡减小，稳定性增强阻尼比变大，谐振峰值减小阻尼比增大稳定性提高!复合校正3(2)速度反馈和加速度反馈复合校正加速度反馈和速度反馈原理Kvf=18.8Kaf=0.11复合校正3(2)速度反馈和加速度反馈复合校正L1=25dB𝜔h1=132rad/sL2=38dB𝜔h2=213rad/s增益减小，上升更平缓固有频率增加，幅值稳定裕度变大复合校正3(3)比例增益调节Kp=25复合校正3

tr1=1000mstr2=30ms

上升时间变快穿越频率增加频宽增加!快速性提高(3)比例增益调节复合校正3(4)速度顺馈和加速度顺馈校正输入改用4Hz的正弦信号存在相位差和幅值差准确性不佳怎么办？复合校正3(4)速度顺馈和加速度顺馈校正速度顺馈调整相位加速度顺馈调幅值复合校正3(5)复合校正前后对比固有频率阻尼比提高频宽提高跟随性显著提高系统稳定性、快速性、准确性提升！指标要求设计结果指标要求设计结果幅值裕度≥10dB10.4dB相角裕度≥50°51°稳定误差≤1%0稳定时间≤0.2s0.15s超调量≤30%28%频带宽度＞20Hz28Hz✔✔✔速度控制系统仿真及校正五指标速度控制系统要求稳定性幅值裕度≥10dB相角裕度≥50°超调量≤10%快速性频带宽度＞15Hz稳定时间≤0.08s准确性稳态误差(阶跃响应)≤2.5%速度控制系统仿真及校正五控制框图：传递函数：仿真框图：速度控制系统仿真1积分校正!!!速度控制系统仿真及校正五速度控制系统仿真10.1516不稳!不准!0dB-40dB/dec由-40dB/dec穿越调至-20dB/dec穿越速度控制系统仿真及校正五积分环节校正2积分校正后的控制框图积分校正后的仿真框图太小速度控制系统仿真及校正五积分环节校正20dB-20dB/dec频域图有波峰时域图有抖动加速度反馈校正复合校正后的控制框图速度控制系统仿真及校正五加速度反馈与积分环节复合校正3最佳阻尼比0.4-0.8等效其中代入数据可以计算得到复合校正后的仿真框图速度控制系统仿真及校正五加速度反馈与积分环节复合校正30dB-180°25.5dB83.9°校正前后时域对比图校正前后频域对比图校正前校正后快速性差0.38s抖动消失相角裕度和幅值裕度都过大增大积分校正的增益K1提高系统快速性速度控制系统仿真及校正五调节积分增益前后对比4校正后时域图对比校正后频域图对比闭环Bode图验证15.1Hz-3dBK1=1K1=4.80.07s9%K1=4.8K1=159.8°11.9dB幅值裕度↓13.5dB指标要求设计结果指标要求设计结果幅值裕度≥10dB11.9dB相角裕度≥50°59.8°稳定误差≤2.5%0稳定时间≤0.08s0.07s超调量≤10%9%频带宽度＞15Hz15.1Hz速度控制系统仿真及校正五调节积分增益前后对比4✔✔✔力控制系统仿真及校正六机器人单腿力控制指标力控系统要求稳定性超调量≤10%快速性频带宽度＞50Hz稳定时间≤0.1s准确性稳态误差(阶跃响应)≤10%力控制系统仿真及校正六力控制系统仿真1力控系统传递函数负载固有频率机械阻尼比力控制系统仿真及校正六力控制系统仿真1控制框图：仿真框图：力控制系统仿真及校正六力控制系统仿真1频域

系统开环Bode图0dB系统闭环Bode图时域500N阶跃信号三次穿越0dB线稳定性差-3dB2.16Hz0.3s快速性差稳态误差大准确性差力控制系统仿真及校正六力控制系统仿真1输出响应曲线对比Kb=1.5Kb=1Kb=0.7Kb=0.2尝试改变Kb力控制系统仿真及校正六力控制系统仿真1校正方法结构不变性校正双惯性环节校正稳定性快速性力控制系统仿真及校正六0dB双惯性校正2=15.1rad/s=24.9rad/s20rad/s力控制系统仿真及校正六双惯性校正20dB双惯性校正开环Bode图力控制系统仿真及校正六双惯性校正2双惯性校正闭环Bode图幅频裕度变为正稳定性提升频宽2.16Hz→2.67Hz快速性提升不满足要求消除上升阶段急剧波动响应曲线力控制系统仿真及校正六结构不变校正3本力控系统结构不变性校正补偿器力控制系统仿真及校正六结构不变校正3仿真框图消除初始阶段的剧烈抖动稳定性增强响应曲线对比力控制系统仿真及校正六结构不变校正3结构不变校正开环Bode图0dB校正后校正前结构不变校正闭环Bode图校正后校正前3次穿越0dB→1次穿越0dB稳定性改善频宽2.16Hz→94.5Hz快速性大幅提升指标要求设计结果指标要求设计结果超调量≤10%