一种位置伺服闭环控制系统及其使用方法
【技术领域】
[0001] 本发明属于自动化技术领域，特别涉及一种位置伺服闭环控制系统及其使用方 法。
【背景技术】
[0002] 伺服系统又称随动系统，传统的伺服系统通常会用到PID(比例，积分，微分）控制 算法，利用误差信号产生相应的控制输出，形成闭环控制。如图1所示，为一个传统的PID 位置伺服闭环控制系统的结构框图。图中，1为减法器，2为PI调节器，3为滤波延时单元， 4为包含电机的机械系统，5为积分器，6为微分调节器增益，7为微分器，Θfb为位置反馈信 号，位置指令信号。在该控制系统中，速度信号通过D调节器作用于控制系统，形成负 反馈，用于降低位置响应超调，提高系统响应带宽，但不管是速度信号来源于速度传感器还 是对位置信号的微分，信号中都包含有高频的噪声纹波信号。同时，由于滤波延时单元3的 存在造成了进一步的控制延时。这些因素的存在，使PID调节器的增益并不能增大的足够 充分，以得到良好的动态响应性能。为解决这一问题，一些新的方法被提了出来。
[0003] 图2所示为一个传统PID闭环位置伺服控制系统的改进方案，相比于图1所示的 控制系统，改进之处在PID调节器后增加了一个相位超前补偿器12,当Ta>Tb时，对控制系 统的相位滞后产生补偿作用，通过增加PID调节器增益，即可提高系统响应带宽，但该方案 依然无法消除速度信号里的高频噪声，以及它引起的高频振动。
[0004] 在美国专利US6252369中，将速度观测器8引入到传统的PID位置闭环控制系统 中，其控制系统结构框图如图3所示，其中7为加法器，11为虚拟机械系统模块，9为加法 器，10为补偿单元，它们共同组成速度观测模器8,VM。为速度观测器所观测到的机械系统速 度，相比实际的机械系统速度信号，该信号消除了高频噪声，但系统中存在的相位滞后依然 存在，因此PID调节的增益并不能增大太大，系统动态响应能力提高有限。
【发明内容】
[0005] 本发明的目的在于提供一种位置伺服控制系统及其使用方法，以解决现有技术中 所存在的上述问题。
[0006] 为实现上述发明目的，本发明的技术方案如下：
[0007] 一种位置伺服闭环控制系统，包括：
[0008] 滤波延时单元；
[0009] 实际机械系统，用于输出机械系统的真实速度；
[0010] 速度观测器，包括虚拟机械系统模块、滤波延时单元和速度观测补偿模块，用于输 出估算速度以及对所述估算速度和真实速度之间的差值进行补偿输出；
[0011]PI调节模块，用于接收位置指令与位置反馈之间的偏差；
[0012]D调节模块，用于接收所述速度观测器所输出的估算速度，将所述估算速度乘以增 益系数，进行微分负反馈；
[0013] 其中，所述位置指令由外界发出，所述位置反馈由所述位置传感模块发出；
[0014] 所述虚拟机械系统模块，为包含电机的实际机械系统的数学模型，用于接收所述 力矩指令与所述补偿输出之和；
[0015] 所述力矩指令为PI调节模块中位置指令与位置反馈之间的偏差与D调节模块中 输出的微分负反馈的加和；
[0016] 作为优选方案，所述位置指令与位置反馈之间设有减法器。
[0017] 作为优选方案，所述PI调节模块与D调节模块之间设有加法器。
[0018] 作为优选方案，所述速度观测模块和速度检测模块之间设有减法器。
[0019] 作为优选方案，所述实际机械系统上设有速度传感器。
[0020] 一种如本发明所述的位置闭环控制系统的使用方法，包括如下步骤：
[0021] 位置指令和位置反馈信号相减得到的偏差输入到PI调节器，同时加上D调节器的 输出形成力矩指令；
[0022] 所述力矩指令经过滤波延时单元的功率放大后，驱动实际机械系统得到实际机械 系统位置的反馈信号和实际机械系统真实速度信号；
[0023] 所述实际机械系统的真实速度信号和力矩指令输入到速度观测器，得到输出信 号，乘以增益系数，形成D调节器输出；
[0024] 所述速度观测器输出估算速度信号，与实际机械系统真实速度信号相减得到速度 偏差，输出到速度观测器补偿模块；
[0025] 所述速度观测补偿模块输出加上PID调节器输出的力矩指令信号，输入到虚拟机 械系统模块得到用于D调节器的速度信号，再经过滤波延时单元得到速度信号；
[0026]自此完成一次闭环操作，经过若干次闭环操作，直至观测速度与估算速度一致。
[0027] 本发明有益效果在于，新型的速度观测器结构能够消除速度反馈信号高频噪声的 同时，能补偿系统中存在相位滞后，在不产生高频振动的情况下，增加伺服系统的动态响应 性能。
【附图说明】
[0028] 图1为传统PID位置伺服控制系统框图；
[0029] 图2为一种传统PID位置闭环伺服控制系统改进方案原理框图；
[0030] 图3为另一种传统PID位置闭环伺服控制系统改进方案原理框图；
[0031] 图4为本发明所提供的一种位置伺服控制系统的原理组成框图；
[0032] 图5为图4原理组成的框图的等效框图；
[0033] 图中，1、减法器；2、PI调节器；3、滤波延时单元；4、实际机械系统；5、积分器；6、 微分调节器；7,微分器；8、速度观测器；9、加法器；10、速度观测补偿模块；11、虚拟机械系 统模块；12、相位超前补偿模块。
【具体实施方式】
[0034] 下面结合实施例对本发明作进一步描述，但本发明的保护范围不仅局限于实施 例。
[0035] 一种位置伺服闭环控制系统，包括：
[0036] 滤波延时单元；
[0037] 实际机械系统，用于输出机械系统的真实速度；
[0038] 速度观测器，包括虚拟机械系统模块、滤波延时单元和速度观测补偿模块，用于输 出估算速度以及对所述估算速度和真实速度之间的差值进行补偿输出；
[0039]PI调节模块，用于接收位置指令与位置反馈之间的偏差；
[0040] D调节模块，用于接收所述速度观测器所输出的估算速度，将所述估算速度乘以增 益系数，进行微分负反馈；
[0041] 其中，所述位置指令由外界发出，所述位置反馈由所述位置传感模块发出；
[0042] 所述虚拟机械系统模块，为包含电机的实际机械系统的数学模型，用于接收所述 力矩指令与所述补偿输出之和；
[0043] 所述力矩指令为PI调节模块中位置指令与位置反馈之间的偏差与D调节模块中 输出的微分负反馈的加和；
[0044] 作为优选方案，所述位置指令与位置反馈之间设有减法器。
[0045] 作为优选方案，所述PI调节模块与D调节模块之间设有加法器。
[0046] 作为优选方案，所述速度观测模块和速度检测模块之间设有减法器。
[0047] 作为优选方案，所述实际机械系统上设有速度传感器。
[0048] 一种如本发明所述的位置闭环控制系统的使用方法，包括如下步骤：
[0049] 位置指令和位置反馈信号相减得到的偏差输入到PI调节器，同时加上D调节器的 输出形成力矩指令；
[0050] 所述力矩指令经过滤波延时单元的功率放大后，驱动实际机械系统得到实际机械 系统位置的反馈信号和实际机械系统真实速度信号；
[0051] 所述实际机械系统的真实速度信号和力矩指令输入到速度观测器，得到输出信 号，乘以增益系数，形成D调节器输出；
[0052] 所述速度观测器输出估算速度信号，与实际机械系统真实速度信号相减得到速度 偏差，输出到速度观测器补偿模块；
[0053] 所述速度观测补偿模块输出加上PID调节器输出的力矩指令信号