结构不变性原理在大幅度时变参数电液伺服系统中的应用.pdf

；研究 设计；计?，；、享 结 构 不 变 性 原 理 在 大 幅 度 时变参数电液伺服系统中的应用 兰坚 Tp 2 7 1 J 。I 。j 摘要本文以 负载模 态质 量大幅度 变化 的电液位置伺服 系统 为例，分析 7由负 载 参数 变化 而引起 系统输 出特性 变化 的机理+介绍 1运 用结构不 变性 原理 补偿 自载 模 态质量变化、以及提高 系统对输 入信号响应速度 的方法。关键词结 构不变性 原理时变 系统 电液伺服 系统 1前言 在液 压伺服 系统 中，负载 参数的大 幅度 变 化对 系统 的静、动态品质影响很 大，比如，当惯性 负载 增大 时，系统额 宽就要降低，甚 至变得 不稳定 为了解决这类 问题，人们提 出了多种控制理 论和方法，其 中最成功的理 论有：模型参考 自适应控制、自校正控制、变 结 构控 制(或称 滑动模 态控 制)、预测控 制(或称模型算 法控制)等。所有这些方法有一 个共 同的特点；都是通过连续 自动检测系统 的输 出量 本身，把 它与理想 的输 出特性进行 比较+从而使系统 的输出特性达到最优。比 如在 电液位置伺 服系统中，被检测 的量是位 移信号，但实质上，负载参 数的变化往往是 首先 引起 负载压力变化，由负载压力变化 而 间接 引起位 移输 出特性的变化 理 论和实验 都证 明 通 过连 续 自动检测 系统的 负载压力 用压力信号来补偿 负载参数变化是 一种更有 效的方法。2 模 态质量 大幅 度盎化 的电 液位置伺 服系 统 华 中理 工大学藏 压教研审，4 3 0 0 7 4湖北 武汉 1 9 9 4车 第 2期 根据牛顿 第二定律，设作用在物体上 的 合外力为 F，物体 产生的加速度 为 G t，则定义 物体 的模态质量 为；，n F a 模 态质量 是控制 系统 中影响 系统 频宽，并用来确定 系统 开环增益大小 的一个基 本参 数，模态质量的变化对系统 的稳定性 和控制 精度影响很大。在多 自由度运 动系统 中，如 机器 人、转台以及如图 1所示 的六 自由度飞 行模拟器中，虽然运动平台的总体质量为一 定值，但当平台在不同位鼍、不同姿态或 不同的速度运动时 作用在六个液压缸上的 模态质量在几十倍的范围内变化。设计系统 时，如果按最大模态质量来确定系统的开环 增益，系统的频宽就会很低，满 足不 了设计 要求；如果 按最 小模 态质量来确 定系统 的开 环增益，系统往往不 稳定 固此，合理 选择 控 制参数，有效地 补偿 各单通道模 态质量 的 变化，是提高 整个 系统 各 自由度 方向运 动精 度和响应额宽的关键。2 1电 液 位 置 伺 服 系统 的 组 成 及 原理 图 2所 示为典 型的 电液 位 置伺服 系统 其负载 由质量和弹簧构成“。对应于该 系统 3 维普资讯 http:/ 的方块 图如 图 3所示。系统输 出量 Y对输 入量 Y。的传 递函数 为 (s)一 一!s +州)s 丘+K 图 1 飞行 摸拟嚣 运动系 统原理 豳 Al A 、A!、A5 A6 运动 平台 B 、岛 B 、魄 底 座】_ I b、l I k 一 一液压伺服 缸 豳 2位置伺 暖系统 原理豳 囤 3 位 置伺皤 系统方 块圈 式 中，1液 压缸 活塞 面积，n l 流量 增益，m，s V 液 压缸及至伺服 阀之 间管路总 容积，n l。总流量一 压力 系数，墨 一K+e，m s N K 一 一伺服 阀增 益 放大器增益 2 2 自载 参 数 变 化 引起 系统 输 出特性 变 化 的机 理 方块图 3反应了负载参数变化 引起 系统 输 出特性变化的机理；负载参数的变化 通过 方块 c和 G 引起 系统静、动态 品质发 生变 化。当负载参数发生变化 时，通过方块 C日I 起 负载 压力 P 变化；负载模 态质量 m 影响 方块 c中”A项，负载弹性 系数 影响 C中的 Kl，A项；负载压力 P 的变化再通过 方块 G 引起 负载 流量 发 生变 化；方 块 G 中 V s 4 成A项表示 所引起的油缸中流体压缩量 的变 化 C A 项 表示 所 日 I 起 的泄 漏量 的变 化，这两项都 比较 小，方块 G 中 Kl。，A是 主 要项，表示所 引起的伺服阀输出流量的变化。负载流量的变化最终导致系统输 出特性发 生 变化。由此可见，在 电液位置伺服系统中，负 载参数变化首先 引起负载压力变化，然后导 致位移输 出特性发生变化。3结构 不变 性原理对 负载参 数变化 的补偿 作 用 由伺服 阀的负载 流量一 压力曲线可知；当 伺服 阀线圈 电流为某一定值 时，伺服 阀的输 出流量随负载压力增 大而减小，如果要 在负 载 压 力变化 时使伺 服 阀的 输 出流 量 保持 不 变，一种方法 就是连续改变放大环节的增益，这 就是一般 自适 应控制 的作法；另一种方法 就是把负载压力反馈信号作为补偿信号，使 之与放大环节输出的电压信号迭加，从 而相 应地连续改变伺服阀线圈电流，使伺服 阀的 输出流量不受影响，这就是对 输出量 的结构 液压 与 气动 维普资讯 http:/ 不变性原理。在 方块 图 3中，以 负载 压力 为观 测 量 引入结构不变性原理：令 K0 一(+G)A Tq=v 4 8 i K+C)设计补偿器 为 E=AK 0(7 s+1)K 其方块 图如 图 4所示。补偿 后，系统输 出量 对输入量 的传递 函数 为：(s)=y y。K K K +K。K K K L 圉 4 在 上述推导 中，困 为伺服阀的频宽 比一 般 位置 系统 的频 宽高很多，伺服 阀的传递函 数教简 化为一个 比例环 节，固而补偿器可设 计为一阶微分 环节，电路上很容 易实现。可 见，在电液位置伺服 系统 中，以负载压力 为 观测量、引入一 阶微务 补偿环 节，可 以基本 上 消除由于负载参数变化给 系统动、静 态品 质带来 的影 响。4 对输人量的结构不变性原理 在一 些位 置伺 服系统中，如 图 1所示 的 六 自由度 飞行模拟 器运 动系统，由于运动平 台本身的质量较 大，且运动平 台作 用在 六个 液压缸 上的模态质揖 变化范围很大，同时，在 运动过程中，六个子 系统是相互交连耦合的，因此，必须保证备子系统的响应速度 不低 于 整个 系统 响应 速度要求 的 3 4倍 才能满 足 系统的响应速度要求，而采用 一般 的变 增益 控制 已经难以达到这一 目的。l 9 9 4年 第 2期 最近，国外在六 自由度飞行模拟器设计 中采用了对输入量的结构不变性原理(或称 为顺馈 控制 或复合控制系统“j)，并取得 了明 显效果。其补偿模型为：壬一+Bl +Al 士 Bl 0 1 5 A L 一 0 0 0 7 多一 十B2 十A2 B 一O 1 5 A2 0 0 0 7 i +B3 i+A3 i B3 0 1 3 3 3 A3 0 0 0 7 一+kt K 一 0 1 5 b=0+K日 0 蜀 一O 1 5 一+K 厂 o 1 5 式 中 z、Y、，0、为 六自由度方 向 的位移，即补偿 前系统的输入控制 信号；二、；、为补偿后系统的输入控制信号。oT、Y、线运动在补偿后，2 Hz时的相差 由一8 5。减小到一1 1。；、0、角运 动在补偿 后，2 Hz时的相差 由-1 3 0 减小到-1 0。由此可见，在响 应速 度要 求较 高的电液 伺 服系统中，仅仅通过 改变前 向通道 中的控 制参数难以满足设计要 求，而采用对输入量 的结构不变性 控制 可以进一步提 高系统的快 速性 5 结论 在大幅度时变参数 电液伺 服系统中，采 用对输 出量的结构不变性原理，不仅十分简 便，电路上很容易实现，并且可以基本上消 除负载参数变 化对系统静、动 态品质的影响，同时，采用对输入量的结构不变性 原理，可 以进一步提高系统的频宽 参考 文献 1 J n e s E Di e u d on n e Ru s s e U V pa r r I s h An d R h E m r du s c h An Ac t u a r Ex ns on Tr a n s f o r ma t i o n f o r a M o t i o n SL mu lat o r a a d K n i n v e r Tr a n s f o r m a t i o n a n g l e y Re s e a h Ce n t e r Na t i o na l Ae r o n a u t i c s a n d p a c e Ad m h i S t r a t l o n H a m p t o n Va：Oc t o b e r 1 9，1 9 7 2 2刘长 年著 减压伺服 系统 的甘析 与设计 科学 出版杜，l 9 8 5 3 王显 正范 崇 l 乇 拄 制理 盹基础 国防 工 业 出版社 1 9 8 0 维普资讯 http:/