机电一体化系统设计第二章直驱容积系统.ppt

1,直驱式容积电液位置伺服系统的设计,2,主要工作,调研，分析当前电液伺服研究进展确定系统方案建立系统数学模型并进行计算机仿真机械系统设计控制方案与控制系统设计搭建实验台进行实验,3,电液伺服技术发展概况,传统电液伺服技术起源于上世纪50年代，现已技术成熟，广泛使用。按调速方式，可分为：节流调速容积调速：因为效率较高而被广泛应用于大功率液压控制系统,4,5,6,7,电液伺服技术发展概况,电液伺服的发展方向高可靠性和稳定性 高压大功率 节能降耗 轻、小、微型化,8,电液伺服技术发展概况,直驱式容积电液控制系统随着交流伺服技术和计算机控制技术的发展，20世纪80年代以来出现了这种调速方式日本、德国、美国和瑞典研究较早，已经工业化，我国目前主要进行理论研究和原型实验日本第一电气公司美国、德国、俄罗斯、瑞士德国的研究目前集中在电动静液作动器（EHA）、注塑机和液压电梯上 国内有浙江大学、哈尔滨工业大学、北京航空航天大学、广东工业大学等单位进行了研究,9,直驱式电液伺服系统简介,直驱式电液伺服系统由交流伺服电机、双向定量泵取代了传统电液伺服系统中的电液伺服阀和变量泵,10,直驱式电液伺服系统特点,高可靠性和稳定性 高压大功率 节能降耗 轻、小、微型化 响应较慢，固有频率低,11,两种电液伺服系统对比,12,初步设计,确定伺服系统设计总体方案,13,初步设计,功能和技术性能设计功能直驱式电液位置控制系统实验台可以扩展为力控制系统技术性能位移范围：0-60cm位移精度：0.5mm负载：100kg惯性负载固有频率：10Hz,14,初步设计,确定信息模型及接口要求,15,初步设计,确定系统组成 原理图,16,初步设计,找出关键技术及其解决方案确定系统配置确定实施进度提出经费预算编写初步设计报告,17,详细设计,建立系统数学模型并进行计算机仿真交流同步调速系统交流感应电机交流永磁同步电机（PMSM）：矢量控制理论和脉宽调制技术（PWM）,18,交流同步调速,结构电源电机控制器驱动电路,19,交流伺服运动控制系统舒志兵 等 著 清华大学出版社,20,交流同步调速系统,数学模型电机最终完成的是电能向机械能的转换，因此它的数学模型也应该包括机械和电气两部分于PMSM系统的频带比整个直驱式电液位置伺服系统的信号频带宽的多，所以可以将其简化一个一阶惯性环节，甚至可以看作比例环节,21,泵控缸系统,泵控缸系统结构非对称液压缸具有占用空间小、制造简单、成本低等优点采取在不同的运动方向上加不同增益的办法来减轻非对称性的影响,22,泵控缸系统,数学模型的建立假设非对称缸的低压腔压力为零；系统补油机构中的梭阀为理想梭阀。即只有开、关两个状态，并且对压降的变化能够做出瞬时的反应；忽略管道压力损失、流体质量效应和管道动态影响；液压泵和液压缸的泄漏流动状态为层流；忽略泵的流量脉动，即假设泵的排量恒定,23,泵控缸系统,数学模型的建立连续性方程力平衡方程,24,泵控缸系统,传递函数及其简化忽略粘性阻尼和负载的弹性，即BP=0，KT=0,25,位移传感器,采用的位移传感器为磁致伸缩传感器，其频响远高于系统的信号频率，且线性度较好 Kc直线位移传感器的位移增益，V/m。,26,直驱式电液伺服系统的数学模型,各环节串联，得伺服系统的方框图,27,直驱式电液伺服系统的数学模型,若给定位移信号，把反馈看成单位负反馈，则,28,系统仿真参数,交流伺服系统系统选用日本安川交流伺服电机，型号为SGMGH-44ACA；液压动力元件选用北京华德液压的双向柱塞泵，型号为,29,系统频率特性及分析,计算空载、100kg惯性负载时系统正反向运动的传递函数，并进行频域仿真,空载,100Kg惯载,30,系统频率特性及分析,负向,空载,100Kg惯载,31,系统对不同信号的响应,采用Matlab/Simulink模块建立系统的仿真模型，给系统加不同的信号，观察其响应。这里只对系统的正向进行仿真。,32,关于simulink,图1 库的类型 图2 Sources库,33,关于simulink,图3 Sinks库,图4 Discrete库,图5 Continuous库,34,关于simulink,图6 Math库,图7 Nonlinear库,35,系统对不同信号的响应,0.2Hz,0.5Hz,空载,100Kg,36,系统对不同信号的响应,空载,100Kg,37,系统对不同信号的响应,空载,100Kg,38,系统误差分析,稳态误差控制信号引起的稳态误差和扰动信号引起的稳态误差之和对于线性定常系统，误差响应也有叠加性系统对输入信号的误差传递函数为,39,系统误差分析,稳态误差假设给定输入信号为 则系统对输入信号的稳态误差,40,系统误差分析,稳态误差扰动信号引起的误差假设外负载力为阶跃信号，则,41,系统误差分析,静态误差控制系统本身的某些因素引起的误差，如死区、零漂等比如，对于本系统，当液压缸启动时，要克服负载和液压缸的摩擦力，在液压缸两腔造成一定的负载压降，该压降对应伺服电机一定的输入电流，从而造成系统的静态误差测量元件的误差包括位移传感器的固有误差、调整和校准误差以及零漂、温漂、滞环等非线性特性，它所引起的误差与增益无关。,42,小结,建立了系统各模块的数学模型建立了系统的整体数学模型并对其进行了简化获得系统的开环频域特性曲线并进行分析建立系统的时域仿真模型，并对不同输入信号进行计算机仿真分析系统的稳态误差和静态误差,43,控制方案与控制系统设计,对控制系统的要求稳定性是前提快速性和精确性是目标提高控制系统性能的途径合理设计系统机械结构，选用高性能元件采用适当的控制策略对系统进行校正,44,控制方案与控制系统设计,PID控制器系统设计简单，灵活性强参数调整方便程序设计简单，工程上易于实现,45,控制方案与控制系统设计,PID控制器a比例环节：成比例地反映控制系统的偏差信号e(t),减少偏差。b积分环节：主要用于消除静差。积分作用的强弱取决于积分时间常数，越大，积分作用越弱，反之则越强。c微分环节：能反映偏差信号的变化趋势（变化速率），并能在偏差信号值变得太大以前，在系统中引入一个有效的早期修正信号，从而加快系统的动作速度，减少调节时间，改善系统的动态性能。,46,控制方案与控制系统设计,PID控制器参数整定PID参数整定即确定PID控制器各参数的具体数值以满足系统的控制指标。主要有ZieglerNichols法、ISTE最优整定法、基于增益优化参数整定法和临界灵敏度法等；但是由于多数情况下无法确定系统精确的数学模型及其参数，所以理论方法在工程上的应用有局限性，因此，工程上常用实验的方法或者凑试的方法来确定PID控制器的参数。PID参数的整定并不是唯一的，不同的整定参数完全有可能达到同样的控制效果，因此只要系统的性能指标达到要求，就可以认为此时的PID参数即是最优PID整定参数。,47,模糊控制器原理,组成模糊控制系统一般可分为四个组成部分：模糊控制器，输入/输出接口装置，广义对象，传感器。,48,模糊控制器原理,模糊控制器原理,1模糊化接口：将精确量（数字量）转换为模糊量的过程称为模 糊化；2知识库：虚线框部分为知识库，可见知识库由数据库和规则库两部分构成；3推理与解模糊接口：推理是模糊控制器中，根据输入模糊量，由模糊控制规则完成模糊推理来求解模糊关系方程，并获得模糊控制量的工能部分。把模糊矢量转换成清晰的控制量输出，即为解模糊。通常把输出端具有转换作用的部分称为解模糊接口。,存放所有输入、输出变量的全部模糊子集的隶属度矢量值（经过论域等级离散化后对应值的集合）,模糊控制器的规则基于专家知识或手动操作人员的长期积累的经验，它是按人的直觉推理的一种语言表示形式,49,模糊控制器原理,模糊子集通常进行如下划分：=负大，负中，负小，负零，正零，正小，正中，正大=NB，NM，NS，NZ，PZ，PS，PM，PB,50,模糊PID控制器设计,可实现自动对PID参数的最佳调整 既具有模糊控制灵活和适应强的优点 又具有PID控制精度高的特点,51,模糊PID控制器设计,模糊控制器论域和量化因子的选择本系统输入变量调速的变化范围在40以内，取误差变化E的基本论域为-20，20，误差变化率EC的基本论域为-100，100。因为E和EC的控制规律可以认为是对称的，所以模糊控制器以|E|和|EC|作为输入量，选定|E|和|EC|的模糊论域都为X=0，1，2，3，4，5，6，|E|和|EC|的量化因子分别为Ke=0.3、Kc=0.06。模糊控制规则的设计输入输出变量的词集 根据系统实际需要，对对误差|E|、误差变化率|EC|、比例系数KP、积分系数KI、微分系数KD都采用四个词集来描述，分别为：零，正小，正中，正大 英文缩写为：ZO，PS，PM，PB,52,模糊PID控制器设计,隶属函数曲线,53,模糊PID控制器设计,建立模糊控制规则利用模糊集合理论语言变量的概念，可以把利用语言归纳的手动控制策略上升为数值运算，可以采用微机完成这个任务以代替人的手动控制。,根据控制规则表，可以写出模糊控制规则如下：If（|E|is ZO）and(|EC|is ZO)then(KP is ZO)and(KI is PB)and(KD is ZO)If（|E|is ZO）and(|EC|is PS)then(KP is PB)and(KI is PB)and(KD is PS)If（|E|is ZO）and(|EC|is PM)then(KP is PB)and(KI is PB)and(KD is ZO),54,模糊PID控制器设计,模糊化及解模糊化方法将精确量转换为模糊量的过程称为模糊化，或称为模糊量化。误差|E|和误差变化率|EC|在区间0，6的离散化了的精确量与辨识模糊语言的模糊量建立了关系。这样，可以把0，6之间的任意的精确量用模糊量表示，如下表所示。,55,模糊PID控制器设计,模糊化及解模糊化方法模糊推理及其解模糊过程有很多种方法，主要有MIN-MAX-重心法、代数积-加法-重心法、最大隶属渡法等。根据本文实际情况，采用最大隶属度法。该方法选取模糊子集中隶属度最大的元素最为控制量。算法实时性好，突出了隶属度最大元素的控制作用，对于隶属度程度较小的元素控制作用没有考虑。,56,模糊PID控制器设计,模糊控制属于计算机控制，由香农(Shannon)采样定理 本文中的模糊控制系统，其输入变量为误差和误差变化率，而这两个变量又是通过两次采样间隔得到的。因此，为了获得较精细的控制规律，应使误差变化的值较大，从这一点看，采样周期不能太短。但从一次响应过程中误差作用的次数来看，一般不能低于五次，否则，会使控制不精细。本文控制系统的设计中，综合考虑了两方面因素的影响，确定本系统的采样时间为10ms。,57,模糊PID控制器设计,58,系统仿真及分析,采用控制策略后系统仿真及其分析在Matlab/Simulink模块下建立采用常规PID和模糊PID控制策略后的仿真模型，如下图所示,59,系统仿真及分析,空载,100Kg,60,系统仿真及分析,3Hz,5Hz,空载,100Kg,61,系统仿真及分析,空载,100Kg,62,小结,对比分析模糊控制器和普通PID控制器设计模糊PID控制器并确定其参数建立模糊PID控制器的计算机仿真模型对不同输入信号进行计算机仿真并对仿真结果进行分析,63,搭建实验台并进行实验,直驱式电液伺服系统试验台直驱式电液伺服系统实验台本体包括日本安川公司系列交流伺服电机及驱动器、北京华德液压的双向定量柱塞泵、以及伺服油缸、附件和自行设计并组装的惯性负载工作台组成；控制器为基于工业控制计算机的控制系统；监测装置为磁致伸缩位置传感器。系统加载类型为惯性负载。,64,搭建实验台并进行实验,65,搭建实验台并进行实验,控制系统硬件组成交流伺服系统交流伺服系统采用日本安川公司的系列交流伺服电机和驱动器，系统的主要参数如下：电机的额定功率4.4KW，额定扭矩28.4Nm，额定转速1500rpm。,66,搭建实验台并进行实验,控制系统硬件组成PCI-1710数据采集卡D/A、A/D转换元件采用台湾研华（ADVANTECH）生产的PCI-1710高速多功能DAQ卡，该卡具有16路单端或8路差分模拟输入通道和2路12位模拟输出通道。,67,搭建实验台并进行实验,控制系统硬件组成FX-71磁致伸缩直线位移传感器该传感器把振荡器、差动变压器、相敏解调器封装在不导磁、不锈钢材料制造的壳体内，结构紧凑，使用方便,68,搭建实验台并进行实验,控制系统硬件组成液压动力机构柱塞泵排量：2.3*10-6m3/r；液压缸内径：0.05m活塞杆直径：0.035m活塞行程：0.3m,69,搭建实验台并进行实验,控制器设计实验采用一台Intel系列工业控制计算机作为整个实验台的控制机，控制系统的程序结构如右图所示,70,搭建实验台并进行实验,30cm阶跃，不加控制器,30cm阶跃，PID控制,30cm阶跃，模糊PID控制,10cm/s阶跃，不加控制器,10cm/s阶跃，PID控制,10cm/s阶跃，模糊PID控制,空载,71,搭建实验台并进行实验,1Hz，不加控制器,1Hz，PID控制,1Hz，模糊PID控制,1.5Hz，不加控制器,1.5Hz，PID控制,1.5Hz，模糊PID控制,空载,72,搭建实验台并进行实验,30cm阶跃，不加控制器,30cm阶跃，PID控制,30cm阶跃，模糊PID控制,10cm/s阶跃，不加控制器,10cm/s阶跃，PID控制,10cm/s阶跃，模糊PID控制,100kg惯载,73,搭建实验台并进行实验,1Hz，不加控制器,1Hz，PID控制,1Hz，模糊PID控制,1.5Hz，不加控制器,1.5Hz，PID控制,1.5Hz，模糊PID控制,100kg惯载,74,搭建实验台并进行实验,实验结果分析加入常规PID控制器后，系统地动态性能明显改善，阶跃信号响应100kg惯载时上升时间较空载稍长，分析为系统惯性增大所致；斜坡信号响应100kg惯载时静差稳定，积分环节调节失效，预计调节PID参数可以有所改善；加入模糊PID控制器后，系统地动态性能整体上得到进一步改善，阶跃信号100kg惯载时响应时间有所增加，但响应曲线仍然优于常规PID的响应曲线；100kg惯载时对斜坡信号的响应明显优于常规PID控制；,75,搭建实验台并进行实验,实验结果分析在惯性负载不变的条件下随着给定正弦信号频率的增加系统相移有所增加，从1.5Hz开始不能通过调整PID控制或模糊PID控制参数得到较好的跟随性，分析原因为滤波器的加入使系统频带变窄，相角滞后加大。同一频率的给定正弦信号下系统的惯性负载增加时，可以看出系统地响应曲线的相移有不同程度的增加，但并不明显，这与理论分析和仿真结果是一致的。,76,小结,搭建伺服系统实验台并进行调试编制实验台的计算机控制软件分别采用PID和模糊PID控制策略，对不同输入信号进行实验对实验结果进行分析,