[發明專利]一種位置伺服閉環控制系統及其使用方法

在審

• 申請號: 201410432560.4
• 申請日: 2014-08-29
• 公開（公告）號: CN105372987A
• 公開（公告）日: 2016-03-02
• 發明（設計）人: 石巖峰;陳安輝
• 申請（專利權）人: 石巖峰
• 主分類號: G05B13/04
• 分類號: G05B13/04
• 代理公司: 上海集信知識產權代理有限公司 31254
• 代理人: 唐海波

技術領域

本發明屬于自動化技術領域，特別涉及一種位置伺服閉環控制系統及其使用方法。

背景技術

伺服系統又稱隨動系統，傳統的伺服系統通常會用到PID(比例，積分，微分)控制算法，利用誤差信號產生相應的控制輸出，形成閉環控制。如圖1所示，為一個傳統的PID位置伺服閉環控制系統的結構框圖。圖中，1為減法器，2為PI調節器，3為濾波延時單元，4為包含電機的機械系統，5為積分器，6為微分調節器增益，7為微分器，θ_fb為位置反饋信號，θ_ref位置指令信號。在該控制系統中，速度信號通過D調節器作用于控制系統，形成負反饋，用于降低位置響應超調，提高系統響應帶寬，但不管是速度信號來源于速度傳感器還是對位置信號的微分，信號中都包含有高頻的噪聲紋波信號。同時，由于濾波延時單元3的存在造成了進一步的控制延時。這些因素的存在，使PID調節器的增益并不能增大的足夠充分，以得到良好的動態響應性能。為解決這一問題，一些新的方法被提了出來。

圖2所示為一個傳統PID閉環位置伺服控制系統的改進方案，相比于圖1所示的控制系統，改進之處在PID調節器后增加了一個相位超前補償器12，當T_a>T_b時，對控制系統的相位滯后產生補償作用，通過增加PID調節器增益，即可提高系統響應帶寬，但該方案依然無法消除速度信號里的高頻噪聲，以及它引起的高頻振動。

在美國專利US6252369中，將速度觀測器8引入到傳統的PID位置閉環控制系統中，其控制系統結構框圖如圖3所示，其中7為加法器，11為虛擬機械系統模塊，9為加法器，10為補償單元，它們共同組成速度觀測模器8，V_MO為速度觀測器所觀測到的機械系統速度，相比實際的機械系統速度信號，該信號消除了高頻噪聲，但系統中存在的相位滯后依然存在，因此PID調節的增益并不能增大太大，系統動態響應能力提高有限。

發明內容

本發明的目的在于提供一種位置伺服控制系統及其使用方法，以解決現有技術中所存在的上述問題。

為實現上述發明目的，本發明的技術方案如下：

一種位置伺服閉環控制系統，包括：

濾波延時單元；

實際機械系統，用于輸出機械系統的真實速度；

速度觀測器，包括虛擬機械系統模塊、濾波延時單元和速度觀測補償模塊，用于輸出估算速度以及對所述估算速度和真實速度之間的差值進行補償輸出；

PI調節模塊，用于接收位置指令與位置反饋之間的偏差；

D調節模塊，用于接收所述速度觀測器所輸出的估算速度，將所述估算速度乘以增益系數，進行微分負反饋；

其中，所述位置指令由外界發出，所述位置反饋由所述位置傳感模塊發出；

所述虛擬機械系統模塊，為包含電機的實際機械系統的數學模型，用于接收所述力矩指令與所述補償輸出之和；

所述力矩指令為PI調節模塊中位置指令與位置反饋之間的偏差與D調節模塊中輸出的微分負反饋的加和；

作為優選方案，所述位置指令與位置反饋之間設有減法器。

作為優選方案，所述PI調節模塊與D調節模塊之間設有加法器。

作為優選方案，所述速度觀測模塊和速度檢測模塊之間設有減法器。

作為優選方案，所述實際機械系統上設有速度傳感器。

一種如本發明所述的位置閉環控制系統的使用方法，包括如下步驟：

位置指令和位置反饋信號相減得到的偏差輸入到PI調節器，同時加上D調節器的輸出形成力矩指令；

所述力矩指令經過濾波延時單元的功率放大后，驅動實際機械系統得到實際機械系統位置的反饋信號和實際機械系統真實速度信號；

所述實際機械系統的真實速度信號和力矩指令輸入到速度觀測器，得到輸出信號，乘以增益系數，形成D調節器輸出；

所述速度觀測器輸出估算速度信號，與實際機械系統真實速度信號相減得到速度偏差，輸出到速度觀測器補償模塊；

所述速度觀測補償模塊輸出加上PID調節器輸出的力矩指令信號，輸入到虛擬機械系統模塊得到用于D調節器的速度信號，再經過濾波延時單元得到速度信號；

自此完成一次閉環操作，經過若干次閉環操作，直至觀測速度與估算速度一致。

本發明有益效果在于，新型的速度觀測器結構能夠消除速度反饋信號高頻噪聲的同時，能補償系統中存在相位滯后，在不產生高頻振動的情況下，增加伺服系統的動態響應性能。

附圖說明

圖1為傳統PID位置伺服控制系統框圖；