李恒 肖支才 張建 陳黎明

摘 要：隨著經(jīng)濟的迅速發(fā)展，我國科學(xué)技術(shù)的發(fā)展也有了顯著的提高，伺服驅(qū)動技術(shù)是根據(jù)一定的指令信息對驅(qū)動元件進行控制，并加以擴充，使機械系統(tǒng)執(zhí)行部件按指令要求運動的一種控制技術(shù)。近年來，隨著計算機技術(shù)的不斷發(fā)展和微電子技術(shù)的飛速進步，伺服技術(shù)越來越成熟，國內(nèi)的伺服行業(yè)也在不斷發(fā)展，廣泛應(yīng)用于機械包裝、數(shù)控機床、工業(yè)機器人等行業(yè)。

關(guān)鍵詞：非線性系統(tǒng)辨識;伺服系統(tǒng)建模;運用研究

中圖分類號：TM921.541 文獻標(biāo)識碼：A 文章編號：1671-2064（2020）10-0050-02

0引言

隨機振動是自然界較為常見的現(xiàn)象，如大氣湍流對飛機的影響、海浪波動對船舶的沖擊、地震等，這些振動環(huán)境對設(shè)備的正常工作影響很大，通過振動環(huán)境模擬，可在設(shè)備正式應(yīng)用前對其可靠性和疲勞壽命進行考察，提前預(yù)防可能出現(xiàn)的失效問題。電液伺服系統(tǒng)由于其控制精度高、響應(yīng)速度快、承載能力強等特點，可作為振動設(shè)備模擬振動環(huán)境[1]。

1概述

伺服電液調(diào)速系統(tǒng)因響應(yīng)速度快、固有死區(qū)小、檢測精度高而得到廣泛應(yīng)用。首先要考慮列車保護系統(tǒng)的響應(yīng)，在仿真分析中要考慮基于實際測量的列車保護系統(tǒng)模型參數(shù)。準(zhǔn)確地建立速度控制系統(tǒng)的模型參數(shù)對于檢測超低頻率振蕩的風(fēng)險、分析靈敏度因素并找到解決方案是很重要的。電動液壓伺服是電機調(diào)速系統(tǒng)設(shè)計的三個主要組成部分之一。它將控制系統(tǒng)的弱電階放大轉(zhuǎn)化為液壓信號，激活控制渦輪空氣或水流的閥門，從而控制發(fā)動機的輸出。在上下連接中起著至關(guān)重要的作用。特別是負(fù)責(zé)接收有關(guān)伺服電機扭矩和速度的信息。在早期的工業(yè)機器人中，伺服電機主要由步進電機和電液電機組成，逐漸取代直流伺服電機，具有良好的調(diào)速性能。在20世紀(jì)80年代，交流電動機變頻調(diào)速技術(shù)迅速發(fā)展，可靠性高的交流伺服電動機成為行業(yè)的主要發(fā)展趨勢。較早發(fā)展的交流伺服電動機與PWM方波無刷直流電動機取代電刷換向器。隨著永磁發(fā)動機材料的進步，具有高勵磁效率和功率密度的永磁同步電動機在無刷直流電機系統(tǒng)中得到了廣泛的應(yīng)用[2]。交流伺服電機有許多參數(shù)和耦合性，因此它需要設(shè)計特殊的控制技術(shù)，包括矢量控制、直接轉(zhuǎn)矩控制和模型預(yù)測控制。方法很復(fù)雜，識別過程不可控。經(jīng)過大量的實地測試和深入分析電液伺服系統(tǒng)的模型結(jié)構(gòu)，提出了一種密切結(jié)合電液伺服系統(tǒng)的模型參數(shù)識別方法，這種方法采用一步法分離高階單輸入單輸出系統(tǒng)，一步一步和多參數(shù)進行合理的標(biāo)識，以便識別模型參數(shù)的電液伺服系統(tǒng)不使用復(fù)雜的識別算法，并實現(xiàn)良好的結(jié)果。同時，分析現(xiàn)有的電液伺服系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)模型在商用和商用程序和相應(yīng)的實際的設(shè)備之間的關(guān)系，并進行模型的推導(dǎo)和解釋。

2伺服控制的基本原理

加工精度和響應(yīng)速度的要求越來越高得益于控制技術(shù)的飛速發(fā)展。數(shù)控機床發(fā)出的指令響應(yīng)速度快，能否適應(yīng)不同的機械特性，能否在追求性能的同時保證伺服控制的穩(wěn)定性，都是需要考慮的問題。反饋控制是指依照指令的過程中，重復(fù)控制比較、放大、行動、檢測和比較。控制回路是輸入指令值和反饋值之間的差（偏差），乘以增益，再乘以輸出。整個控制部分包括三個反饋回路（電流環(huán)、速度環(huán)和位置環(huán)）從內(nèi)到外。內(nèi)循環(huán)越多，越高響應(yīng)性的必要性。

3非線性系統(tǒng)辨識在伺服系統(tǒng)建模中的運用

3.1伺服系統(tǒng)建模數(shù)學(xué)模型

伺服系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型是基于系統(tǒng)串行結(jié)構(gòu)設(shè)計的非線性識別模塊。串行伺服的關(guān)鍵是使用直接的非線性識別系統(tǒng)，這可能會導(dǎo)致數(shù)據(jù)和信息的集中和分散問題，使伺服參數(shù)不精確。為此串聯(lián)結(jié)構(gòu)，使用矩陣一樣的電動發(fā)動機，和線性時間的摩擦中被奴役，仍可簡化系統(tǒng)的設(shè)定，確保信息數(shù)據(jù)庫，用于確定特定參數(shù)用單個數(shù)值，并大大減少繁瑣的采購過程的狀態(tài)信息。目前相對更加普遍的體系結(jié)構(gòu)應(yīng)用采用線性模塊的解耦的線性、非線性信號的非線性來區(qū)分聯(lián)合國系統(tǒng)提供了基礎(chǔ)數(shù)據(jù)塊的結(jié)構(gòu)，使其能夠充分完成獲取值的準(zhǔn)確性，因此效率最低，其服務(wù)器系統(tǒng)，實現(xiàn)更好的回報，監(jiān)測系統(tǒng)數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性，以確定后續(xù)階段的安全參數(shù)，發(fā)揮互補作用[3]。

3.2伺服系統(tǒng)建模Hammerstein離散模型

Hammerstein離散模型也是伺服系統(tǒng)非線性參數(shù)計算的一部分。為了獲得準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)信息，必須選擇傳輸函數(shù)S-Z=1的理論公式。伺服控制的實際應(yīng)用更多地依賴于連續(xù)的信號傳輸，以獲得離散信號的信息，并在適當(dāng)?shù)那闆r下通過數(shù)據(jù)采樣。具體的采樣方法可以基于時域內(nèi)的連續(xù)信號，將脈沖序列的基礎(chǔ)乘以單位時間的信息。在確定離散函數(shù)數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，采用拉普拉斯變換法和數(shù)據(jù)位移法獲得算子數(shù)據(jù)。根據(jù)S數(shù)據(jù)得出的結(jié)論，分析了直接算子S和變換算子Z之間的關(guān)系，并給出了詳細的參數(shù)，得出了最終的漢默斯坦離散模型。此外，還應(yīng)注意的是，連續(xù)函數(shù)應(yīng)根據(jù)載波振幅的基本調(diào)節(jié)器進行調(diào)整，并結(jié)合單位脈沖采樣，獲得初始輸出信號。利用脈沖函數(shù)的采樣數(shù)據(jù)可以通過拉普拉斯變換得到，信息變量可以根據(jù)偽裝函數(shù)濾波的采樣信號的性質(zhì)轉(zhuǎn)化為可用的脈沖采樣信息。在分析連續(xù)動態(tài)系統(tǒng)的穩(wěn)定性時，Z變換方法依賴于變換算子獲得離散系統(tǒng)的基本性能。結(jié)合拉普拉斯變換公式，可以簡化歐拉的傳統(tǒng)公式。

3.3伺服系統(tǒng)誤差建模模型

Hammerstein誤差建模模型實際上是基于非線性隨機伺服系統(tǒng)來實現(xiàn)無記憶的鏈路序列，利用系統(tǒng)連桿運行機制來構(gòu)造Hammerstein模型結(jié)構(gòu)，以減少伺服系統(tǒng)的感知參數(shù)誤差。由于伺服系統(tǒng)主要使用線性數(shù)據(jù)，它會產(chǎn)生一定程度的噪聲，這可能會影響Hammerstein的數(shù)據(jù)誤差模型。因此，系統(tǒng)故障的計算必須考慮到伺服系統(tǒng)的運行環(huán)境。如果數(shù)據(jù)測試參數(shù)設(shè)置為0，則不應(yīng)考慮干擾因子的影響，以確保數(shù)據(jù)差異不超過初始參數(shù)。在已知的條件下，非線性系統(tǒng)識別伺服系統(tǒng)可以從數(shù)據(jù)輸入值確定輸出參數(shù)信息，從而估計給定數(shù)據(jù)范圍內(nèi)數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確索引[4]。

3.4智能化

今天人工智能已經(jīng)在各個領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。智能是工業(yè)自動化發(fā)展的趨勢，伺服驅(qū)動系統(tǒng)是工業(yè)自動化過程中的重要系統(tǒng)之一，伺服系統(tǒng)的未來發(fā)展必然走向智能發(fā)展。智能的優(yōu)點之一是它有強大的參數(shù)記憶功能。通過人機對話，系統(tǒng)的運行參數(shù)可以保存在伺服系統(tǒng)中。通過計算機的通信接口，可以直接在電腦上設(shè)置參數(shù)，這是非?？焖俸头奖愕?。智能伺服系統(tǒng)具有較強的自我診斷、分析能力，能夠進行自我診斷和故障排除、分析和反饋，及時反饋客戶的具體故障原因和分析結(jié)果，使員工能夠及時、準(zhǔn)確地進行維護和監(jiān)控。此外，一些智能伺服系統(tǒng)具備參數(shù)自調(diào)整的功能，它可以調(diào)整內(nèi)部參數(shù)，優(yōu)化設(shè)備運行，減少人力和材料消耗。通過必要的閉環(huán)調(diào)整試驗過程中操作的能力。伺服系統(tǒng)必須具有兩個抗干擾能力。首先，外圍設(shè)備不會干擾伺服系統(tǒng)。其次，伺服系統(tǒng)沒有外圍設(shè)備。擾動分為傳導(dǎo)擾動和輻射擾動。為了解決伺服系統(tǒng)的干擾問題，有必要對干擾源進行分析和求解。目前的抗干擾方法包括超導(dǎo)磁線圈、絕緣、過濾、屏蔽等。一些專家提出了一種消除固定電機脈沖干擾電機軸脈沖和振蕩引起的誤差的算法。應(yīng)用于交流伺服控制系統(tǒng)的算法表明，在編碼器分辨率不變的情況下，系統(tǒng)檢測精度有了很大的提高。

3.5伺服電機的應(yīng)用

無刷交流伺服電動機廣泛用于工業(yè)生產(chǎn)。它不僅有響應(yīng)速度快，也有小慣性穩(wěn)定的扭矩。雖然其控制較為復(fù)雜，但可實現(xiàn)智能控制，并可應(yīng)用于復(fù)雜環(huán)境。特別是對于普通同步電機，它不僅具有較大的功率范圍和慣性，而且具有較高的轉(zhuǎn)速，更適合低速穩(wěn)定運行的場合，顯示出較高的集寧度和低速輸出更大的轉(zhuǎn)矩和更寬的轉(zhuǎn)速范圍等優(yōu)點[5]。

在目前工業(yè)生產(chǎn)中經(jīng)常采用的數(shù)字控制系統(tǒng)中的步進電機，其控制方式均采用全數(shù)字交流伺服電機或步進電機，這種伺服電機的優(yōu)點體現(xiàn)在：首先是表現(xiàn)出較強的過載能力，即具有較強的過載和轉(zhuǎn)矩過載能力，在啟動速度時為了抵消由慣性負(fù)載產(chǎn)生的力矩產(chǎn)生的慣性力矩，需要選用高轉(zhuǎn)矩電機，從而減少了所需設(shè)備運行時的扭矩。第二個是指響應(yīng)速度快的優(yōu)點。這主要是因為電機具有良好的加速性能，其響應(yīng)速度是只有幾個百分點的步進電機，更適合快速起?？刂茍龊?。最后，它顯示了良好的低頻特性。換句話說，由于其高頻率分析功能和已知的共振的能力，很容易檢測諧振點，進行系統(tǒng)調(diào)整，以防止低頻振動的發(fā)生。

4結(jié)語

隨著伺服系統(tǒng)的大規(guī)模應(yīng)用，伺服電機的調(diào)試與維護顯得越來越重要。本論文通過對路斯特伺服驅(qū)動器的參數(shù)反復(fù)調(diào)試研究，積累了伺服調(diào)試的一些具體經(jīng)驗，掌握了伺服驅(qū)動器調(diào)整的基本原則以及必要參數(shù)，以及調(diào)整后的效果。目前交流伺服電機在工業(yè)自動化系統(tǒng)中廣泛應(yīng)用，而且表現(xiàn)出具有較快的響應(yīng)速度且容易實現(xiàn)智能化等優(yōu)點，尤其是與部件電機相比表現(xiàn)出更高的過載能力、更快的響應(yīng)速度、以及不會出現(xiàn)低頻振動等問題的優(yōu)點，不僅在實際應(yīng)用中優(yōu)勢顯著，而且在未來的高性能化以及模塊化、網(wǎng)絡(luò)化等發(fā)展中有著廣闊的發(fā)展前景。

參考文獻

[1] 田樹軍，胡全義，張宏.液壓系統(tǒng)動態(tài)特性數(shù)字仿真[M].大連：大連理工大學(xué)出版社，2013.

[2] 陳國茜，顏文俊.基于DSP的新型電參數(shù)測量儀設(shè)計[J].機電工程，2012，29（5）：501-505.

[3] 張靜.MATLAB在控制系統(tǒng)中的應(yīng)用[M].北京：電子工業(yè)出版社，2007.

[4] 牛巍，黃效國，管東方.軋機液壓厚度控制系統(tǒng)的動態(tài)特性分析[J].液壓與氣動，2005（3）：10-11.

[5] 胡良謀，李景超，曹克強.基于MATLAB/Simulink的電液伺服控制系統(tǒng)的建模與仿真研究[J].機床與液壓，2003（3）：230-231+246.