獨立伺服控制器的應用與研究

【摘 要】介紹了獨立伺服控制器的結構和功能，研究了獨立伺服控制器在疲勞試驗應用中的新方法。

【關鍵詞】獨立伺服控制器；疲勞試驗；標定；增益；阻尼

0.前言

獨立伺服控制器是一種通用的獨立數字式伺服控制器，可以不通過PC而獨立進行操作。每一個機架可以控制最多4 個控制通道。通過前面板上一個旋轉/按下式按鈕，配合一個640×480分辨率的彩色液晶顯示屏，可以實現控制器的絕大部分操作功能。

1.系統的硬件構成

控制器是一個數字控制單元。這個單元實現了一個高逼真度閉環控制系統。控制器作動筒的結合可以認為是一個“靈巧的作動筒”。當使用這個系統時，不再需要對命令信號放大，以保證命令輸出的響應特性。控制器與實時前端之間的線路采用實時光纖通訊聯接，這就使得控制器可以放在離作動筒很近的地方。系統中使用的模擬電纜通常昂貴而且容易受噪聲干擾，現在可以盡量縮短了，這就使得其信噪比更高。

2.控制器的功能

控制器作為一個控制液壓或電動作動筒的本地控制器，它有控制回路、安全系統、測試回路、自檢功能、直流-直流轉換。在正常操作中， 安裝在作動筒上的力傳感器測量作用在試驗件上的實際力。信號反饋給控制器回路， 在控制回路中把測量信號與來自計算機的命令力信號進行比較。控制回路控制作動筒，在一個大頻率帶寬命令情況下，使實際測量力與命令力以高精度相等。安全系統同時采用了硬件和軟件兩種方式，嵌入到了控制器中，并且在所有可選回路中進行不間斷的安全檢查。安全系統檢查命令信號與測量力之間的差異是否比用戶預設的極限小；測量力是否超出用戶預設的極限值；力A和力B之間的差異是否超出了用戶預設的極限值；是否超過了其它安全限制；內部供電是否在公差之內；控制器和實時前端之間的通訊是否中斷；控制器軟件迭代是否正常。根據安全系統超過了誤差限制，液壓或電動系統將關閉，同時控制器將啟動自檢程序。自檢之后，狀態返回給實時前端，系統進入等待模式。

3.特殊功能

在力和位移控制模式中，控制器將根據命令或安全保護原因轉換到等待狀態。隨著這個動作，時實命令將立即去掉，以便控制液壓系統卸掉油壓。隨后，控制器將持續控制伺服閥電流1.2秒鐘，以便減輕任何由液壓切換帶來的瞬時沖擊。1.2秒之后，控制器將向伺服閥發送一個持續30秒的抖動信號。這將幫助從作動筒去除所有保留的能量，并適用于缺乏卸壓設備的液壓系統。它還防止了作動筒在這30秒之內被鎖定。這個抖動信號大小等于伺服閥電流極限設置值20%，頻率為40Hz。

4.PID調節

首先設定通道范圍、工作范圍、伺服閥的電流值、安全極限， 絕對安全極限是以滿量程的百分比定義。+8%的力A安全保護最大值和-8%的力A安全保護最小值通常是比較適當的，而且是一個安全的啟動值。

當加壓之后，可以開始調節系統了：驗證力和位置的正確符號規定（通常已經在標定的過程中完成了）；為比例增益輸入一個小的值（例如0.2）；為積分增益輸入一個小的值（例如0.2）；系統加壓并監視其響應（緊急停止應當處于伸手可及的位置）；如果系統加壓， 而且沒有由于超過安全限制而關閉，那么就可以認為這個增益是最佳的。如果系統由于引發力A失效保護極限而關閉，驗證伺服閥極性是否正確。伺服閥極性可以通過把伺服閥回路的增益改為-1來顛倒過來。改變了伺服閥極性之后，系統應該在控制內。如果系統還是由于力過高而關閉，這個增益就太低了。增益優化。把命令力調整到平均值（例如0）；生成一個小振幅，幅值為整個范圍的5%，低頻率（如0.3Hz）的方波命令；開始手動調節；調節P，當出現激振時，將P改為原來的1/4或1/2； 調節I，當出現激振時，將P改為原來的1/4或1/2；最小化阻尼增益，如果出現低頻不穩定或出現超調，緩慢增加阻尼增益；如果在定值力控制中出現力零偏，必須對伺服閥零偏參數進行精調。波形改為正弦波，增大頻率，微調PID。增大幅值，微調PID，達到理想狀態。打開幅值匹配和相位匹配。

5.獨立伺服控制器的優點

傳感器自動識別功能，它允許控制器自動識別聯結在上面的傳感器，并把諸如序列號和標定數據等重要信息自動復制到試驗文件中。

控制器具有可擴展性，使用一個機架就可以擴展到4個試驗通道的獨立伺服控制器。如果想要使用更多的通道，還可以把多個機架聯接到一起。

控制器的可靠性高，控制器的硬件使用的是控制器產品線所生產的成熟產品。實際上，在控制器中所使用的控制器單元，在世界上累計使用的數量已經超過1000個。控制器同時提供了更多的安全性能，以保護試驗件。

6.獨立伺服控制器系統標定

選擇力控模式，進入設置下面的控制通道的標定向導。參數設定，如傳感器的范圍、力的單位、傳感器的靈敏度系數等。給傳感器一個壓力，看傳感器的極性是否正確，如不正確，改極性為負后重新標定。測量零偏值，進行修正，完成標定。

7.獨立伺服控制器應用

7.1位移反饋信號干擾的解決

在力控模式下的疲勞試驗中，在信息欄中，位移反饋信號有隨機值，后考慮是因為位移傳感器雖然沒接，但獨立控制器中有位移放大，所以在手動標定中把位移傳感器的增益值1改為0后，位移反饋信號為零，解決了位移反饋信號干擾的問題。

7.2試驗頻率的提高

試驗頻率的設定有兩種方式，剛開始，為了快速提高頻率，在試驗頻率的設定欄中直接輸入頻率值，可是發現整個試驗系統并不是快速適應PID的值，后利用手動調節的旋鈕進行慢速調節，發現效果顯著。

8.結束語

通過對獨立伺服控制器的應用，為疲勞試驗提供可靠的試驗依據。 [科]

【參考文獻】

[1]秦大同.現代機械設計手冊，化學工業出版社.

[2]王簫.現代控制理論及應用，哈爾濱工業大學出版社.