一种液压伺服系统数字控制器的研制-【新闻】

电子学参数估计及微机应用方面的研究。

一种液压伺服系统数字控制器的研制常丹华（燕山大学计算机系，秦皇岛066004）[摘要]本文介绍了旋压加工中多自由度的液压位置系统的数字控制原理，以及基于动态建模的控制算法的选择和控制参数的优化。该控制装置在实际中获得满意的控制质量。

5 [文献标识码] B [ 1引言随着机械工作精度，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而旋压加工是负载结构复杂，动力机构为多自由度的液压位置系统。对液压驱动环节要求行走距离大、控制精度高、反应速度快。特别是由于在线驱动负载特性的变化、弹性系数的改变、油温改变、液压元件老化引起的系统泄漏系数的改变将引起液压伺服系统工作参数有很大变化。研究表明[3 ]，这种系统包含一些理论上难以精确确定的参数和非线性因素。传统的模拟控制难以实现复杂的控制策略。因此借助微机手段，设计满足旋压工艺要求的数字控制器有着重要的意义。

本文为了实现最优控制，对液压伺服系统进行了动态建模，通过计算机仿真，优化了控制参数。控制装置用于Υ2. 4m容器封头无胎冷旋压机械加工中，效果良好。

2系统的工作原理液压旋压系统工作原理见图2? 1.

轴及其驱动机构1和顶紧缸2，工作时，板坯上料在主轴上定心后，顶紧缸使顶杆向下运动，将板坯顶紧在主轴上。然后主轴和成型辊4开始旋转，并靠摩擦力驱动板坯旋转。成型辊从内部支撑板坯，板坯的上方是旋压辊机构3，待旋压辊下行对板坯加压后，成型辊和旋压辊保持一定的相对位置一起横向运动。

旋压辊靠摩擦力从动旋转，加工圆弧时，它按微机给定的曲线运行。这样就使平板毛坯在旋压辊和成型辊的作用下，螺旋形地产生以弯曲变形为主的塑性变形。板坯需要多道次旋压而逐渐形成大圆弧的容器封头。

成型辊由方向的液压缸带动，通过圆弧机构作圆弧运动。旋压辊由X、Y两个互相垂直方向的液压缸带动，在平面内任意运动， 3个液压缸均由伺服阀控制。

每个伺服阀都由微机实现位置闭环控制。在加工开始前要向微机输入工件外形尺寸参数及相应的机器结构参数。由计算机算出相应的X、Y、Z与主轴转数有关的3组位置参数，存放在相应的内存地址上，这些数据便是加工时相应的给定值。在加工过程中，反馈值通过计算机处理，输出给相应的伺服阀，使运动机构按严格给定轨迹运动。

3系统的建模分析系统主要由3个位置反馈闭环组成。每个环路由控制器、数模转换器、伺服阀、油缸及位置反馈环节组成。其中液压伺服系统的机理模型为其中分别为伺服阀及其放大器的静态放大系数，W为阀和液压缸的固有角频率，W为阀和缸的阻尼比。

由于上述机理模型复杂，且仅限于理论推导，缺少系统的动态信息。不能满足系统优化控制的需要，因此本文采用相关分析法[2 ]，完成系统的动态建模。

测试电路如图3? 1.

测试输入信号采用PRBS序列，由计算机采集输入输出数据，并进行谱分析，可由下式推算H式中H（ jk）??系统的频率响应函数（ jk）??输入与输出的互功率谱密度（ jk）??输入的自功率谱密度谱分析测试结果的可信程度，可通过输入输出实测值的凝聚函数是否接近于1来判断，频谱分析的幅频特性、相频特性和凝聚函数曲线分别由图由最小误差法拟和系统的参数模型为：4控制算法的选择由于液压旋压机的结构及加工特点决定了3个液压缸驱动的行走距离都比较大，而控制精度要求高。显然，只用一种控制规律难以达到快速而准确的目的。因此采用分段控制方法，在系统误差很大时实施非线性控制，由微机判断后输出最大值，确保伺服阀的最大开口驱动液压缸，尽快减少位置误差。系统误差较小时，转入最优控制。

为满足冷旋压生产工艺精度高、动态性能好的需求，本文在动态建模的基础上，通过计算机仿真进行了最优控制器的设计，实现比例、积分参数的优化。

变量寻优的目标函数选取：仿真寻优结果，比例控制最优参数K PI控制最优参数K进一步提高控制质量，利用状态空间法设计了快速无纹波最佳控制器[4 ]，本文面向式3? 3模型，设计位置阶跃信号下系统的最优数字控制器。系统结构框图如图4? 1所示。

系统阶跃输入的脉冲传递函数系统连续部分的脉冲传递函数设定闭环系统的脉冲传递函数闭环系统的误差传递函数计算出控制参量： m定系统控制器的脉冲传递函数进而得到最佳控制算法其中U为D输出的控制量，e为D输入的误差量，也是系统的误差量。

计算机仿真结果表明，系统的最佳调整时间为5结果与结论本文设计的液压伺服系统控制器用于旋压加工现场，对2. 4m直径的封头， 3种板厚（ 6mm， 8mm，的板坯加工时分别测得控制加工误差随时间的变化曲线。

（ a）比例控制结果（ b）最佳控制结果向测得的两条曲线。其中图5? 1a是采用比例调节器、图5? 1b是采用最佳控制，横坐标是径向值，只取80mm，在时间上约为10s左右。从曲线上看基本接近仿真结果。设备控制偏差为±0. 05mm，达到国家部标准要求本文设计的控制系统现在正成功地用于加工现场。研究表明，基于动态建模分析的数字控制器的优化设计是现代控制理论应用于液压伺服系统的有效途径。这种方法较好地解决了液压系统参数易变带实际调节器输入为1～5V的标准信号电压（对应规范化数值0. 000～1. 000） ， A /D转换器输出y（k）∈[0， 4096 ].硬件电路中产生1V ， 5V的高精度、低漂移的基准电压，即x假设该基准电压是恒定的，准确的，且不受外界温度变化的影响（即是理想的且应已知）。仪表在每一采样周期，首先对已知1V， 5V基准电压作A /D转换，分别得到但此值要受到输入通道中存在的零点漂移、增益漂移的影响。根据式（ 2 6） （这里取P= 1）解得：将以上两式代入式（ 2 5）得：这样，在读取了A /D转换器输出值y （k）后，可根据上式计算出当前采样周期输入信号x （k ）值。在DS T100中，直接取规范化数据，即取x则上式可直接由计算出0. 000～1. 000之间输入信号的规范化数值。式（ 3 1）就是DST100仪表中采用的输入数据规范化计算公式。

4结论通过以上分析，我们可以看到，在数字检测与控制仪表的设计中，采用时变系数多项式对信号输入通道的静态输入输出特性进行描述，具有以下优点：1）可补偿输入通道内信号变换电路及A /D转换器的非线性，改善控制性能。

2）能消除输入通道变换电路、A /D转换器电路中零漂及温漂引起的测量误差，提高测量精度。

3）可同时实现数据的规范化或工程量的转化，节省软件开支。

智能仪表的特性之一是提供定周期自检功能，而通过求取基准参考电压的转换值，既可完成建模函数多项式系数的实时计算，同时又可实现对信号输入通道的定周期自检。

[参考文献]施仁，刘文江。自动化仪表与过程控制。电子工业出版[3 ]郑辑光，施仁，刘文江。 FCS中的智能传感器设计及其数据融合技术。化工自动化及仪表， 1998， 25（ 1）： 49～52 [4 ]单回路数字调节器设计定型文件汇编。南京有线电厂。

西安交通大学， 1992来的误差问题，又大大减少了实机整定控制参数的工作量，并且为液压伺服动力机械的快速、精确、复杂加工提供了保证。

[参考文献] [ 1 ]李运华，史维祥等。近代液压伺服系统控制策略的现状与发展。液压与气动。 1995. 1徐宁寿。系统辩识技术及其应用。机械工业出版社，[3 ]王家勋。蔡敬斌。容器封头无胎冷旋压机。东北重型机械学院学报。 1988. 1 [ 4 ]谢建英。微型计算机控制技术。国防工业出版社，

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