張兆凱,唐 苗,曹東海,謝勁松
( 1.北京自動化控制設(shè)備研究所,北京100074; 2.海軍駐航天科工三院軍事代表室,北京100074)
伺服系統(tǒng)承載負(fù)載力矩時輸出有時會有較大偏差,當(dāng)負(fù)載擾動劇烈時,甚至?xí)?dǎo)致系統(tǒng)失穩(wěn)等惡劣后果,該問題可歸結(jié)為系統(tǒng)伺服剛度不足。本文從工程應(yīng)用中的實際問題出發(fā),引述了伺服剛度的概念,建立了電動伺服系統(tǒng)的模型,分析了負(fù)載作用下影響伺服系統(tǒng)跟蹤誤差和穩(wěn)定性的關(guān)鍵因素,闡述了提高系統(tǒng)伺服剛度的理論本質(zhì),提出了采用陷波器進(jìn)行串聯(lián)校正處理,消除系統(tǒng)諧振、提高系統(tǒng)增益來提高伺服系統(tǒng)剛度的控制方法。仿真結(jié)果表明,陷波器能夠有效抑制系統(tǒng)諧振,從而能夠進(jìn)一步提高系統(tǒng)增益,從而提高系統(tǒng)剛度。
在電動伺服系統(tǒng)工程應(yīng)用中,存在系統(tǒng)加負(fù)載后穩(wěn)態(tài)誤差增大,不能滿足跟蹤精度要求,如圖1 所示,此時我們希望通過增大系統(tǒng)增益來降低系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)誤差,但是增大系統(tǒng)增益后系統(tǒng)出現(xiàn)振蕩,也不能滿足工程應(yīng)用要求,如圖2 所示。這類問題發(fā)生時,通常產(chǎn)品已經(jīng)生產(chǎn)完畢,通過有限的調(diào)試參數(shù)難以解決,系統(tǒng)控制品質(zhì)大受影響,不能滿足工程需求。
圖1 負(fù)載作用下系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)誤差增大示意圖
圖2 提高增益時系統(tǒng)自激振蕩響應(yīng)示意圖
從動力學(xué)角度分析,可以將這種問題歸結(jié)為伺服系統(tǒng)的伺服剛度不足。
伺服剛度是指整個伺服系統(tǒng)表現(xiàn)出來的抵抗外部擾動力矩產(chǎn)生位移偏差的能力。對比上述問題,我們希望在外加負(fù)載作用下,系統(tǒng)穩(wěn)定并且輸出與期望值越小越好,即要求系統(tǒng)伺服剛度高。設(shè)外加負(fù)載力矩為Fs,由負(fù)載力矩引起的輸出軸轉(zhuǎn)角位置偏差為Δθ,則伺服系統(tǒng)的剛度Kservo定義:
式中: 當(dāng)Fs為靜力矩,即恒定的外加負(fù)載時,Kservo稱為靜剛度; 當(dāng)Fs為交變力矩時,Kservo稱為動剛度。
按照式( 1) 定義,F(xiàn)s越大,Δθ 越小,則Kservo越大。Δθ 是系統(tǒng)空載和負(fù)載作用下系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)響應(yīng)的差值,從控制理論角度看,如果在相同的負(fù)載作用下,伺服系統(tǒng)響應(yīng)的穩(wěn)態(tài)跟蹤誤差越小,則其Δθ 通常也會減小,則系統(tǒng)伺服剛度就高。
因此可以將提高系統(tǒng)伺服剛度的理論本質(zhì)歸結(jié)為: 提高伺服剛度,即是抑制系統(tǒng)振蕩等不穩(wěn)定因素,提高系統(tǒng)穩(wěn)定裕度,減小系統(tǒng)在外加負(fù)載Fs作用下的穩(wěn)態(tài)跟蹤誤差。
對于可簡化為二階系統(tǒng)的伺服系統(tǒng)來說,減小系統(tǒng)跟蹤誤差,需要提高系統(tǒng)增益; 然而提高系統(tǒng)增益,有時帶來系統(tǒng)振蕩等后果。因此,無法單純依靠提高系統(tǒng)增益的方式提高系統(tǒng)伺服剛度。需要從系統(tǒng)模型入手,詳細(xì)分析負(fù)載作用下系統(tǒng)響應(yīng)特性,確定問題的關(guān)鍵因素,找到一個既能減小跟蹤誤差,又可以抑制系統(tǒng)振蕩,提高穩(wěn)定裕度的方法。
假設(shè)電動伺服系統(tǒng)位置反饋傳感器安裝在輸出軸末端,即所有的環(huán)節(jié)都含在控制閉環(huán)內(nèi),電動伺服系統(tǒng)框圖模型如圖3 所示。
圖3 電動伺服系統(tǒng)框圖模型
圖中,Uci為輸入信號,TL為外加負(fù)載力矩,δ 為輸出偏轉(zhuǎn)角,APR 為控制器,Kpwm為功率放大倍數(shù),La為電機(jī)電樞電感,Ra為電機(jī)電樞電阻,CT為電機(jī)力矩系數(shù),Ce為電機(jī)反電動勢系數(shù),Kpf為位置反饋系數(shù),Ja為電機(jī)轉(zhuǎn)動慣量,i 為減速比,KL為傳動機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)柔性系數(shù),JL為負(fù)載轉(zhuǎn)動慣量。
由圖3 看出,系統(tǒng)模型為一個二質(zhì)量體扭轉(zhuǎn)模型,也可作為一個雙輸入單輸出系統(tǒng),分析系統(tǒng)剛度,即分析外界負(fù)載力矩TL變化造成的輸出偏轉(zhuǎn)角δ 的變化,系統(tǒng)剛度越高,輸出偏轉(zhuǎn)角δ 受外界負(fù)載力矩TL的影響越小。
以某型電動伺服系統(tǒng)為例,代入模型參數(shù),進(jìn)行常值負(fù)載作用下系統(tǒng)時域響應(yīng)仿真。圖4 給出了10 N·m 外部負(fù)載力矩狀態(tài)下,結(jié)構(gòu)柔性系數(shù)KL分別為109N·m/( °) 、107N·m/( °) 、3 × 104N·m/( °) 時系統(tǒng)階躍響應(yīng)仿真圖。從圖中看到,KL為3× 104N·m/( °) 時,系統(tǒng)已經(jīng)振蕩失穩(wěn); KL為109N·m/( °) 、107N·m/( °) 時,系統(tǒng)宏觀響應(yīng)穩(wěn)態(tài)誤差和響應(yīng)時間均相同。
圖4 恒定負(fù)載,結(jié)構(gòu)柔性系數(shù)K L 變化時階躍響應(yīng)宏觀對比圖
圖5 給出了KL為109N·m/( °) 、107N·m/( °) 系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)時響應(yīng)曲線放大示意圖。從圖中看出,KL為109N·m/( °) 時,反饋振蕩幅值約0.000 4 V,頻率約24 600 Hz,KL為107N·m/( °) 時,反饋振蕩幅值約0.000 7 V,頻率約2 450 Hz,但是振蕩曲線中心幅值基本相同。
圖5 圖4 中穩(wěn)態(tài)響應(yīng)局部放大圖
在模型中固定KL為107N·m/( °) ,負(fù)載力矩值為10 N·m、30 N·m、50 N·m 時系統(tǒng)階躍響應(yīng)和穩(wěn)態(tài)時響應(yīng)曲線放大圖如圖6 和圖7 所示。
圖6 結(jié)構(gòu)柔性系數(shù)K L 恒定,負(fù)載值變化時階躍響應(yīng)對比圖
從圖6 和圖7 中看到,KL為107N·m/( °) 時,系統(tǒng)宏觀上能夠穩(wěn)定跟蹤輸入階躍信號,但是隨著負(fù)載力矩增大,穩(wěn)態(tài)誤差加大,但響應(yīng)中疊加的高頻振蕩幅值和頻率沒有改變。
圖7 圖6 中穩(wěn)態(tài)響應(yīng)局部放大圖
由以上仿真可以看出,在伺服系統(tǒng)參數(shù)一定、響應(yīng)穩(wěn)定的狀態(tài)下,伺服系統(tǒng)跟蹤誤差只隨負(fù)載力矩大小改變,系統(tǒng)響應(yīng)中疊加的高頻振蕩成份由傳動機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)柔性決定,結(jié)構(gòu)柔性不影響系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)誤差。傳動機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)柔性小時,伺服系統(tǒng)可以穩(wěn)定跟蹤輸入階躍信號,隨著負(fù)載力矩增大,系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)誤差增大; 在相同負(fù)載力矩作用下,當(dāng)結(jié)構(gòu)柔性增大時,系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)誤差不會因柔性增大而減小,根據(jù)伺服剛度定義,可以認(rèn)為系統(tǒng)靜伺服剛度不受影響; 但是伺服系統(tǒng)宏觀出現(xiàn)自激振蕩的風(fēng)險加大,穩(wěn)定裕度降低; 當(dāng)結(jié)構(gòu)柔性增大到一定程度,系統(tǒng)宏觀響應(yīng)上會出現(xiàn)自激振蕩,系統(tǒng)不能穩(wěn)定跟蹤輸入信號,從伺服剛度定義看,此時系統(tǒng)靜伺服剛度為零。
在模型中施加幅值為30 N·m,頻率為200 Hz的交變負(fù)載力矩,設(shè)置KL分別為109N·m/( °) 、107N·m/( °) 、105N·m/( °) ,仿真所得系統(tǒng)階躍響應(yīng)穩(wěn)態(tài)時曲線局部放大如圖8 所示。從圖中看到,KL分別為109N·m/( °) 、107N·m/( °) 時,系統(tǒng)階躍響應(yīng)穩(wěn)態(tài)時幅值波動頻率與力矩交變頻率相同,響應(yīng)中疊加高頻振蕩,響應(yīng)幅值波動約為0.001 5 V; 當(dāng)KL為105N·m/( °) 時,系統(tǒng)處于諧振狀態(tài),振蕩幅值約0. 01 V。
圖8 交變負(fù)載,結(jié)構(gòu)柔性系數(shù)K L 變化時系統(tǒng)階躍響應(yīng)穩(wěn)態(tài)局部放大對比圖
在模型中設(shè)KL為107N·m/( °) ,施加200 Hz,幅值分別為10 N·m、30 N·m、50 N·m 交變負(fù)載,系統(tǒng)響應(yīng)如圖9a 所示; 施加2 450 Hz,幅值分別為10 N·m、30 N·m、50 N·m 交變負(fù)載,系統(tǒng)響應(yīng)如圖9b 所示。
圖9 結(jié)構(gòu)柔性系數(shù)K L 固定,交變負(fù)載變化系統(tǒng)階躍響應(yīng)穩(wěn)態(tài)局部放大對比圖
從以上仿真結(jié)果可知,系統(tǒng)在不發(fā)生諧振的狀態(tài)下,系統(tǒng)階躍響應(yīng)穩(wěn)態(tài)時幅值波動只隨負(fù)載幅值增大而增大,系統(tǒng)響應(yīng)中疊加的高頻振蕩成份由傳動機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)柔性決定,結(jié)構(gòu)柔性不影響因負(fù)載力矩造成的響應(yīng)波動幅值; 這與施加常值負(fù)載時穩(wěn)態(tài)誤差隨負(fù)載增大而增大結(jié)論是一致的,此時可以認(rèn)為系統(tǒng)動伺服剛度不受結(jié)構(gòu)柔性影響。當(dāng)系統(tǒng)諧振時,系統(tǒng)響應(yīng)振蕩幅值均大于穩(wěn)定狀態(tài)下因負(fù)載力矩引起的波動值,并且諧振狀態(tài)下,施加負(fù)載力矩幅值越大,振蕩幅值也越大,系統(tǒng)諧振為不穩(wěn)定狀態(tài),因此可以認(rèn)為此時系統(tǒng)動伺服剛度為零。
綜上,不論施加常值負(fù)載還是交變負(fù)載,在系統(tǒng)響應(yīng)不發(fā)生諧振的狀態(tài)下,負(fù)載大小決定了系統(tǒng)跟蹤誤差,負(fù)載越大,跟蹤誤差越大; 當(dāng)系統(tǒng)發(fā)生自激振蕩或諧振時,系統(tǒng)振蕩幅值遠(yuǎn)大于穩(wěn)定狀態(tài)下系統(tǒng)因負(fù)載引起的跟蹤誤差。在系統(tǒng)穩(wěn)定響應(yīng)的狀態(tài)下,結(jié)構(gòu)柔性不影響系統(tǒng)的伺服剛度,但是系統(tǒng)一旦振蕩不穩(wěn)定,按照定義,系統(tǒng)伺服剛度就是零; 而決定系統(tǒng)是否發(fā)生諧振或自激振蕩的一個關(guān)鍵因素是傳動機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)柔性,結(jié)構(gòu)柔性越大,系統(tǒng)振蕩風(fēng)險越大。
為了進(jìn)一步明確系統(tǒng)內(nèi)部影響其穩(wěn)定裕度,造成響應(yīng)振蕩的關(guān)鍵因素,對系統(tǒng)進(jìn)行頻域分析。圖10 給出了KL為無窮大和KL為有限值的Bode 圖對比。圖11 給出了變化結(jié)構(gòu)柔性系數(shù)KL大小時系統(tǒng)Bode 圖的變化規(guī)律。
從圖10 中看到,KL為有限值時,由于結(jié)構(gòu)柔性的影響,使得系統(tǒng)高頻段存在諧振峰,諧振點處相角滯后在180°左右,這意味著系統(tǒng)響應(yīng)中存在有自激振蕩情況,振蕩頻率約為諧振峰頻率點頻率。在正常情況下,我們在系統(tǒng)響應(yīng)中看不到諧振現(xiàn)象是因為諧振幅值很小,在宏觀上觀察不到。從圖11 中看到,隨著KL減小,即結(jié)構(gòu)柔性系數(shù)增大時,諧振頻率點左移,幅值響應(yīng)也逐漸增大,系統(tǒng)響應(yīng)宏觀上出現(xiàn)諧振的風(fēng)險加大。這與上述時域分析結(jié)果一致。同時因為諧振峰的存在,如果為了減小系統(tǒng)跟蹤誤差而提高增益,則系統(tǒng)很容易發(fā)生振蕩而不穩(wěn)定。因此無法通過提高增益的方式來達(dá)到提高系統(tǒng)伺服剛度的目的。
從上述分析來看,無法提高系統(tǒng)增益來提高伺服剛度是因為系統(tǒng)中存在傳動機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)柔性因素引起的諧振峰。雖然,可以通過重新改進(jìn)傳動機(jī)構(gòu)等方式減小傳動機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)柔性,但是有時對工程應(yīng)用來說代價太高。從控制理論角度看,控制系統(tǒng)是一個開放的系統(tǒng),我們也可以通過補(bǔ)償、校正等手段削弱系統(tǒng)的諧振,提高系統(tǒng)穩(wěn)定性,從而進(jìn)一步提高系統(tǒng)增益,提高系統(tǒng)剛度。
在以上模型中,針對諧振點頻率,在控制器APR 中設(shè)計串聯(lián)陷波器如下:
所設(shè)計的陷波器增益為2,中心頻率點與系統(tǒng)諧振頻率點對應(yīng),增加陷波器后,系統(tǒng)Bode 圖如圖12 所示。50 N·m 負(fù)載作用下,系統(tǒng)階躍響應(yīng)如圖13 所示。從圖中看到,陷波器有效抑制了系統(tǒng)諧振峰,使系統(tǒng)響應(yīng)穩(wěn)定跟蹤輸入,并且陷波器增益為2,使原系統(tǒng)增益擴(kuò)大了1 倍,系統(tǒng)跟蹤穩(wěn)態(tài)誤差明顯減小,系統(tǒng)伺服剛度得到有效提高。
電動伺服系統(tǒng)工程應(yīng)用中希望伺服剛度高,從控制理論分析,問題本質(zhì)就是在負(fù)載作用下保持系統(tǒng)穩(wěn)定,減小跟蹤誤差。本文提出了采用陷波器抑制傳動機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)柔性帶來的系統(tǒng)諧振峰,提高系統(tǒng)增益來提高系統(tǒng)伺服剛度的方法,仿真結(jié)果分析表明,陷波器能夠有效抑制系統(tǒng)諧振,提高系統(tǒng)增益,減小跟蹤誤差,即有效提高了系統(tǒng)伺服剛度。
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