基于能量控制的气动伺服系统仿真与实验研究设计文档格式.docx

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专业机械设计制造及其自动化

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摘要

因为具有功率-质量比大、清洁、结构简单、易维护等优点,气动伺服技术在机器人、工业自动化和医疗机械等领域具有广泛的应用前景。

但是气动系统具有很多不利于精确控制的弱点,如强非线性、参数时变性和模型不确定性等,导致目前气缸仅应用于一些低级任务，如推拉精确定位则采用其他执行元件。

如何提高气动位置伺服系统的定位精度仍是当前气动技术研究的一个重要方向。

本论文以一个双作用气缸的气动伺服系统为研究对象,以实现气缸精确的位置和压力的同步控制为研究目标,利用理论分析和实验相结合的方法,从建立精确描述系统特性的非线性模型入手,深入的研究了气动伺服位置控制。

本文运用实际气体热力学以及气体动力学方程，采用范德瓦尔状态方程对实际气体进行描述，基于能量方程建立了相应的质量流量特性方程。

在此基础上对气缸两腔充放气过程进行分析，建立了容器内部实际气体压力数学模型。

控制算法利用基于内能反馈的PD控制算法实现了对活塞位置和气缸左右腔气压同时调节的控制目标。

在MATLAB的SIMULINK模块中建立了气动伺服仿真模型，对气动伺服系统的动态特性进行仿真研究。

得到控制器各参数对气动伺服系统动态特性影响的曲线。

利用ActuatorConstraint工具箱对气动伺服控制系统进行优化设计。

在此基础上，针对位移负载、气源压力和质量负载对活塞定位位置精度的影响，进行了仿真分析。

搭建了由单杆气缸、比例流量阀、压力传感器、位移传感器等组成气动伺服系统实验平台。

提出一种新型的方法，确定比例阀的中位电压和死区，求出稳定压力与控制电压间的规律。

对摩擦力进行非线性拟合，获得摩擦力模型中的各参数，编写了气动位置伺服的控制程序和数据传输程序，进行了气动位置伺服实验，气缸的定位精度达到士0.lmm。

关键词：

气动伺服系统；

能量控制

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Abstract

Pneumaticcylindersareclean,easytoworkwith,andlowcost.Inaddition,theyexcellentperformance.Thesepropertiesmakethemfavorableforservoapplications.Theneedforpneumaticservopositiontechnologycanbefoundinmanyapplications,suchasindustrialautomation,roboticsandmedicalequipment.However,thedynamicsofpneumaticsystemsarenonlinearitiesinthemodeofpneumaticsystems.

Thisworkpresentsthatgasthermodynamicequationequations,gasdynamicalequationsandVanderWaalsequationareusedtodescribetherealgas.Massflowequationsofenergytransmissionareestablished.Onthisbasis,thechargingandreleasingofchambersareanalyzedtobuildupthenumericalmodelofrealgaswithinthechamber.Analgorithmisproposedbasedonthegasinternalenergy,andthecontrolalgorithmisusedtocontrolthegaspressureandthepistonposition.

SimulationmodelsofpneumaticservosystemareestablishedthroughtheMATLABSIMULINKmodulebasedonthemathmodel,andeveryperiodofpneumaticservosystemisdetailedlyanalyzed.andthepneumaticservocontrollerisoptimaldesignedwithActuatorConstraint.Studyonthefactorssuchasthepressures,movesizesandpayloadswhichinfluencethesystemdynamicbehaviorsisdeveloped.

Theplatformofpneumaticservosystemcontainspneumaticcylinder,proportionalflowvalves,pressuresensorsandpositonsensor.ThecontrollerisADVANTECHIPC-610LwithDAQcardPCI-1716.Andthenpneumaticservopositioncontrolalgorithmoftherobotanddatatransmissionprogramareprogrammed,theexperimentsarecarriedoutintheexperimentalplatform,achievingtherobot'

scontinuousandstableiswithin士0.1mm.

Keywords:

pneumaticservo-controlsystem,energycontrol

第1章绪论

1.1.课题来源及研究的背景和意义

1.1.1.课题来源

本课题来源是日本SMC合作开发项目。

1.1.2.课题研究的背景和意义

气动技术是以压缩空气为工作介质进行能量与信号传递的技术。

随着工业机械化和自动化的发展,气动技术因其具有功率-质量比大、清洁、价格低、结构简单、易维护等优点,得到了迅速的发展及普遍应用。

传统的气动系统以开关控制为主,只能在若干个机械设定位置可靠的定位且执行元件的速度控制是通过单向节流阀实现的,已经无法满足许多设备的自动控制要求。

在这一背景下,气动伺服技术应运而生,与电气伺服技术相比,气动伺服系统不需要笨重的传动环节,也无需担心散热问题;

与液压伺服技术相比,气动伺服系统具有洁净、结构简单、成本低、维护方便等优点。

在工业自动化领域,气动伺服位置控制技术可以实现气缸多点无极定位（柔性定位）和运动速度的连续可调,一方面满足了复杂的工艺过程要求,在生产对象发生改变后,能非常快捷的重新编程,实现柔性生产;

另一方面与传统的机械定位及单向节流阀加气缸端部缓冲的速度控制方式相比,可以达到最佳的速度和缓冲效果,大幅度地降低气缸的动作时间,缩短工序节拍,提高生产率,因而具有广泛的应用前景。

随着机械系统工作精度、响应速度和自动化程度的提高,对气动控制技术的要求也越来越高。

但是由于气动比例系统具有的非线性特性,仅靠提高元件的性能来改善系统的动态特性是不够的,有些特性是气动系统本身固有的,如气体的可压缩性、低阻尼、低刚度等,这些特性给系统带来的不利影响只能通过控制策略来解决,因此控制理论方面还需要进一步深入探索。

1.2.国内外研究现状及分析

本课题研究所包含的气动伺服系统是指以直线气缸为执行元件的系统，对其它类型执行元件的气动伺服系统研究现状不作过多阐述。

本节从控制元件和执行元件研究、系统建模研究以及控制策略研究三个方面分析国内外对气动位置伺服系统的研究现状。

1.2.1.控制元件研究现状

气动伺服位置控制系统按其气动元件组成系统的机械结构形式不同分以下几种。

（1）进出口联动控制的阀控缸系统由一个比例换向阀（或伺服阀）控制一个气缸，如图1-1所示。

结构比较简单、运动速度快,一般来说系统的背压小、刚性较差、阻尼特性差、控制困难,但可以采用小阀口开度保证较高的刚度,但系统耗能非常大且不可控。

目前大部分研究采取带状态反馈的控制率,且控制率的有效性取决于不能观子系统的稳定性。

图1-1进出口联动控制的阀控缸系统

美国莱特州立大学将多层神经网络用于进出口联动的气动伺服位置控制系统的轨迹跟踪。

建立一个气缸的模型，为前馈多层神经网络控制器提供训练数据。

多层神经网络被设计消除气缸动力并与比例反馈控制器结合来控制缸的运动。

通过一系列气缸匀速运动轨迹训练多层神经网络，合成控制器可以使模型跟踪在训练过的状态空间里的匀速运动轨迹[l]。

针对建立精确的气缸模型和用额外的轨迹阀输出关系寻找输入输出数据的缺点,采用自适应多层神经网络来实现气缸的运动轨迹跟踪控制,需要注意的是使用两种自适应多层神经网络。

离线自适应多层神经网络用于初始训练,并且适合于系统发生重大变化的场合。

在线自适应多层神经网络适合于在存在轻微变化时精确调整其权值,逐渐提高多层神经网络的性能。

自适应多层神经网络方法允许用多层神经网络学习更复杂的轨迹。

控制器的PI部分将补偿未训练的多层神经网络,直到多层神经网络已经学习到新系统的动力学特性[2]。

美国范德比尔特大学用非线性观测器取代压力传感器的可能性依然存在。

通过一个非线性可观测矩阵的建立和等级测试，表明那些提出不切实际的用非线性观测器重构压力状态来达到实际目的的系统中存在重要的奇异点[3]。

提出两种基于李雅普诺夫的压力观测器,第一个方法是由状态方程推出的基于能量的稳定压力观测器。

另一个方法是结合输出误差控制观测到的压力值收敛。

仿真和实验结果演示证明了提出的观测器的有效性[4]。

美国俄亥俄州立大学利用滑模观测器的气动系统的一种基于反馈线性化的变结构控制器。

利用滑模控制理论的鲁棒影响和气动系统的结构特性，设计一个非线性控制器实现在有限时间里使输出的跟随误差变为零。

通过补偿气缸中摩擦力对活塞的影响得到关于有界模型和参数不确定的强鲁棒性。

该控制器和观测器是建立在三阶非线性气动系统模型上的，该模型由Acarman等提出并通过实验数据进行了验证。

仿真结果证明了设计的观测器的有效性和设计的控制器的良好表现[5]。

德国卡塞尔大学研究具有时变垂直载荷的气动伺服位置控制。

通过真实应用用非线性系统的输入输出测量值进行系统辨识方法研究，该方法是以一个混合的多模型结构为基础，该结构描述了整个工作范围的系统全部运行状况。

在不同的工作点，通过有限的输入输出信号测量值在频域内辨识20个局部线性化黑箱模型。

并由物理规律和几个过程状态的测量来估算未知参数推出系统的灰色模型，与黑箱模型进行对比研究[6]。

为了使位置控制精度与活塞位置和负载变化无关,对于每个局部线性化模型，都推出一个状态反馈控制器。

最终的系统控制器设计成一个具有模糊增益调度局部状态反馈控制器的程序。

实验结果证实该控制器能处理设备中的主要非线性和不同负载，而且在每个实验阶段都能保持连续[7]。

加拿大马尼托巴大学用定量反馈理论设计了一个简