Compensación anticipada para errores de bucle de servo

Los servos de posición generan inherentemente errores. Es decir, la salida nunca está en la posición de comando;Sólo puede acercarse. La posición de medición y retroalimentación no puede eliminar los errores. Los diseñadores de sistemas solo pueden diseñar bucles de servo con reacciones de carga inevitables para mantener el error dentro de un rango tolerable, pero nunca puede ser cero.

El control feedforward es efectivo en sistemas donde el cumplimiento estricto de la ruta de movimiento (perfil de comando) es fundamental. Un perfil de comando es un conjunto de coordenadas de posición-tiempo que se espera que siga la salida de un servo. Esta curva describe la posición precisa de cada actuador momentáneo a lo largo del ciclo de la máquina. Los ejemplos del uso del control anticipativo incluyen algunos cortes voladores, robots que tienen que seguir un camino específico, rectificadoras de superficies de contorno, etc.

Cuando se usa el control proporcional simple, la válvula debe abrirse para que el actuador se mueva. Por desgracia, el error es lo que abre la válvula, por lo que el actuador debe estar detrás del comando. El grado de inconsistencia entre la posición real y la posición comandada (cuando el actuador se mueve a una velocidad constante) es el siguiente error. Es este error el que puede reducirse mediante feedforward. El concepto es bastante simple y los ajustes se pueden realizar fácilmente.

Se muestran las respuestas de entrada y salida de los servos compensados ​​y no compensados.

Ajuste del sistema de avance

El ajuste feedforward se realiza después de que el sistema está construido y funcionando. Considere un eje servo probado con control proporcional, los resultados se muestran en la figura. La curva de comando de posición está representada por la curva A (roja), la respuesta de salida de medición está representada por la curva B y la curva de comando de velocidad trapezoidal está representada por la curva V. Matemáticamente, la curva de comando de posición es la integral de la curva de comando de velocidad.

Tenga en cuenta que la respuesta real retrasa el perfil de comando de posición, esta situación se ha identificado como un error de seguimiento. Durante la porción lineal (velocidad constante) del perfil, la separación vertical de las dos curvas es sustancialmente constante. Suponga que se ha medido la separación y se ha encontrado que es de 0,6667 pulgadas. Tenga en cuenta que este error de seguimiento se produce a una velocidad de 13,33 pulgadas/seg.

Este es el argumento clásico y la explicación de feedforward: si la salida real retrasa el comando en una cantidad intolerable, ¿por qué no simplemente iniciar el comando un poco antes?¿No debería la respuesta real estar muy cerca de lo que queremos después del retraso natural del bucle del servo?Esto es exactamente lo que hace feedforward. Refiriéndose nuevamente a la ilustración, la curva de comando C modificada adelanta la salida de posición deseada por una cantidad medida de error de seguimiento. Entonces, la respuesta real A (azul) está muy cerca del perfil de comando de destino, también marcado como A.

La única pregunta que queda es cómo modificar el archivo de configuración de comandos. Debido a que debe haber un error para generar la velocidad, simplemente agregamos la parte escalada del perfil de comando de velocidad al perfil de comando de posición original. Eso es:

Xcentímetro=XCO+ kFVFcincoC

donde Xcentímetroes el archivo de configuración de comando modificado

XCOes el archivo de configuración original sin modificar

cincoCes la curva de comando de velocidad, y

kFVFes el factor de escala feedforward que cancela el siguiente error. Viene de:

kFVF= ΔXFE÷ VSS

donde: ΔXFEes el siguiente error de la medida, 0.6667 pulgadas en el ejemplo, y

cincoSSes la plataforma de velocidad constante en la curva de comando de velocidad, que se muestra como 13,33 pulgadas/seg.

La implementación de feedforward durante el ajuste es relativamente sencilla si el controlador de movimiento puede mantener el perfil original sin modificar más la respuesta de salida real. Otra forma es utilizar periféricos para obtener dichos datos. Sin esto, el feedforward, o cualquier ajuste más allá del simple control proporcional, es casi imposible de obtener. Debido a que los parámetros de retroalimentación existen fuera del lazo del servo, cambiar los parámetros de retroalimentación no afectará la estabilidad de la mayoría de los sistemas fundamentalmente lineales.

Si se ajusta correctamente, un controlador de avance puede eliminar el error de seguimiento durante una velocidad constante. Se produce algún error de seguimiento residual cuando el perfil de comando requiere aceleración o desaceleración. Sin embargo, también se puede proporcionar una compensación de avance de aceleración/desaceleración. Algunos controladores de movimiento proporcionan avance de aceleración. Incluso los sistemas más complejos pueden acomodar derivados más altos;En principio, cada uno elimina algunos de los siguientes errores.

Sin embargo, cuando se usan derivadas de mayor orden que la aceleración, la curva de comando no se puede construir con un trapezoide de velocidad, como se usa en la ilustración. En su lugar, deben utilizar un perfil de velocidad llamado «curva en S». La regla es que cuanto mayor sea el orden de la derivada feedforward, mayor será el polinomio de orden que se debe utilizar en la síntesis de contorno. Si n representa la derivada feedforward más alta, el perfil de comando debe tener n derivadas finitas.

Limitaciones de retroalimentación

Por supuesto, feedforward no es una panacea. No puede adaptarse a los cambios en los sistemas electrohidráulicos. Por ejemplo, si aumenta la fuga del actuador, el factor de escala de avance encontrado durante el ajuste de la configuración sin fugas será incorrecto. Además, los cambios de carga pueden causar factores de escala de avance incorrectos. Dado que la compensación anticipada no tiene retroalimentación, el controlador no puede adaptarse a ningún cambio en el servobucle del sistema electrohidráulico.

Feedforward, por otro lado, es extremadamente robusto a los cambios en los perfiles de comando. Por ejemplo, el feedforward es fundamental en un sistema de corte de vuelo para evitar tener que volver a sintonizar el controlador cada vez que tiene que adaptarse a una nueva velocidad de avance.

Para que la alimentación directa tenga éxito, la válvula y el actuador deben proporcionar una ganancia de velocidad lineal en todo el rango de alimentación. Por cierto, la ecuación anterior solo se aplica si la servoválvula tiene una característica de dosificación sustancialmente lineal. Para adaptarse a cualquier cambio en el sistema hidráulico, se debe implementar un control integral, que se analizará en la siguiente sección.

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