车载式施药机的伺服特性分析

贾功流

(安徽省康禾农林病虫害综合防治有限公司，合肥 230000)

0 引言

在植物生长中，病虫害是导致作物产量降低的主要原因之一，我国病虫害发生面积广、农药使用量居高不下。在施药装备中，系统的伺服控制特性起着关键作用，它是施药机械精准喷施、提高农药利用率的决定性部件。但是，从国内外施药机械发展的趋势来看，手动控制及粗放控制的伺服系统仍占着主流，因此，为提升施药系统的控制水平，使其喷施功能特性更适应用户需求是十分必要的。

本文针对车载式施药系统的伺服控制单元，对施药机驱动单元的控制系统进行了深入分析，并对电流环、速度环进行了逐一仿真，研究证明，控制误差小，精度高。

1 伺服控制系统

在伺服系统中，起主要作用的部分是放大电路、伺服电机和传动装置。伺服系统工作时，控制器的输出信号，通过放大电路处理，作用于伺服电动机，电动机输出转矩再通过传动装置，驱动负载运动完成设定转动，控制回路如图1所示。

2 电流环设计

首先建立系统的等效模型，在模型的基础上根据系统要求的性能指标对系统的电流闭环、速度闭环、位置闭环进行了设计与仿真。电流环数学模型如图2所示。

根据单位阶跃BODE图3可以看出，校正后电流环的上升时间tr=0.401 ms，超调量8.86%，开环相位裕度为 74.8°，系统是稳定的。

图2 电流环仿真框图

图3 电流环BODE图

3 速度环设计

在电流环的基础构建速度环，建立速度环仿真模型如图4所示。

通过位置环阶跃响应可以看出，速度环的阶跃响应上升时间tr=0.017 s。根据方位速度环BODE(图5所示)，相角裕度为88.9°，因此速度环是稳定的。

4 精度分析

利用保精度角速度和保精度角加速度指标计算等效正弦信号，并以此作为伺服控制系统的跟踪精度检验信号

指标要求保精度最大速度为6 rad·s-1，最大加速度为3 rad·s-2根据保精度最大速度和最大加速度的要求，可设计正弦波角位置指令满足上述最大加速度和最大速度的要求。

根据方位保精度最大速度为6 rad·s-1，最大加速度为3 rad·s-2，可计算出满足此要求的角位置指令

Azc=12sin(0.5t)

将位置输入带入模型中，得出误差信号。由图6可以看出，跟踪误差的峰值为0.25°；稳态误差峰值为0.17°；均方根误差为0.121 1°。加入前馈控制后，调节前馈控制器参数，可使跟踪误差调节到0.028 9°，最终可在0.03°以下，见图7，满足精度要求。

图4 速度环仿真框图

图5 位置环BODE图

图6 正弦信号下的跟踪误差

在相同工况下，对有无速度前馈的位置特性进行了仿真对比，通过对比可以看出，在不带有速度前馈时，跟踪误差达到0.25°，加上速度前馈后，跟踪误差仅0.028 9°，大大提高了位置跟踪精度，使施药机的伺服特性得以大幅度提升，有利于施药系统快速精准的达到指定位置，说明该方案更能发挥速度环的优势。

图7 正弦信号加入前馈的跟踪误差

5 结语

本文描述了车载式施药机控制系统的组成。对系统的电流闭环、速度闭环进行了系统建模设计与Simulink仿真。通过阶跃信号下的BODE图仿真，获得了电流环及速度环的伺服特性。根据指标要求进行了位置跟踪仿真，对比了无前馈和有前馈下的误差分析。该系统控制简单，在车载式施药机的伺服三环控制中具有应用价值。