車載式施藥機的伺服特性分析

賈功流

(安徽省康禾農(nóng)林病蟲害綜合防治有限公司，合肥 230000)

0 引言

在植物生長中，病蟲害是導致作物產(chǎn)量降低的主要原因之一，我國病蟲害發(fā)生面積廣、農(nóng)藥使用量居高不下。在施藥裝備中，系統(tǒng)的伺服控制特性起著關鍵作用，它是施藥機械精準噴施、提高農(nóng)藥利用率的決定性部件。但是，從國內(nèi)外施藥機械發(fā)展的趨勢來看，手動控制及粗放控制的伺服系統(tǒng)仍占著主流，因此，為提升施藥系統(tǒng)的控制水平，使其噴施功能特性更適應用戶需求是十分必要的。

本文針對車載式施藥系統(tǒng)的伺服控制單元，對施藥機驅動單元的控制系統(tǒng)進行了深入分析，并對電流環(huán)、速度環(huán)進行了逐一仿真，研究證明，控制誤差小，精度高。

1 伺服控制系統(tǒng)

在伺服系統(tǒng)中，起主要作用的部分是放大電路、伺服電機和傳動裝置。伺服系統(tǒng)工作時，控制器的輸出信號，通過放大電路處理，作用于伺服電動機，電動機輸出轉矩再通過傳動裝置，驅動負載運動完成設定轉動，控制回路如圖1所示。

2 電流環(huán)設計

首先建立系統(tǒng)的等效模型，在模型的基礎上根據(jù)系統(tǒng)要求的性能指標對系統(tǒng)的電流閉環(huán)、速度閉環(huán)、位置閉環(huán)進行了設計與仿真。電流環(huán)數(shù)學模型如圖2所示。

根據(jù)單位階躍BODE圖3可以看出，校正后電流環(huán)的上升時間tr=0.401 ms，超調(diào)量8.86%，開環(huán)相位裕度為 74.8°，系統(tǒng)是穩(wěn)定的。

圖2 電流環(huán)仿真框圖

圖3 電流環(huán)BODE圖

3 速度環(huán)設計

在電流環(huán)的基礎構建速度環(huán)，建立速度環(huán)仿真模型如圖4所示。

通過位置環(huán)階躍響應可以看出，速度環(huán)的階躍響應上升時間tr=0.017 s。根據(jù)方位速度環(huán)BODE(圖5所示)，相角裕度為88.9°，因此速度環(huán)是穩(wěn)定的。

4 精度分析

利用保精度角速度和保精度角加速度指標計算等效正弦信號，并以此作為伺服控制系統(tǒng)的跟蹤精度檢驗信號

指標要求保精度最大速度為6 rad·s-1，最大加速度為3 rad·s-2根據(jù)保精度最大速度和最大加速度的要求，可設計正弦波角位置指令滿足上述最大加速度和最大速度的要求。

根據(jù)方位保精度最大速度為6 rad·s-1，最大加速度為3 rad·s-2，可計算出滿足此要求的角位置指令

Azc=12sin(0.5t)

將位置輸入帶入模型中，得出誤差信號。由圖6可以看出，跟蹤誤差的峰值為0.25°；穩(wěn)態(tài)誤差峰值為0.17°；均方根誤差為0.121 1°。加入前饋控制后，調(diào)節(jié)前饋控制器參數(shù)，可使跟蹤誤差調(diào)節(jié)到0.028 9°，最終可在0.03°以下，見圖7，滿足精度要求。

圖4 速度環(huán)仿真框圖

圖5 位置環(huán)BODE圖

圖6 正弦信號下的跟蹤誤差

在相同工況下，對有無速度前饋的位置特性進行了仿真對比，通過對比可以看出，在不帶有速度前饋時，跟蹤誤差達到0.25°，加上速度前饋后，跟蹤誤差僅0.028 9°，大大提高了位置跟蹤精度，使施藥機的伺服特性得以大幅度提升，有利于施藥系統(tǒng)快速精準的達到指定位置，說明該方案更能發(fā)揮速度環(huán)的優(yōu)勢。

圖7 正弦信號加入前饋的跟蹤誤差

5 結語

本文描述了車載式施藥機控制系統(tǒng)的組成。對系統(tǒng)的電流閉環(huán)、速度閉環(huán)進行了系統(tǒng)建模設計與Simulink仿真。通過階躍信號下的BODE圖仿真，獲得了電流環(huán)及速度環(huán)的伺服特性。根據(jù)指標要求進行了位置跟蹤仿真，對比了無前饋和有前饋下的誤差分析。該系統(tǒng)控制簡單，在車載式施藥機的伺服三環(huán)控制中具有應用價值。