（机械电子工程专业论文）搬运机械手气动控制系统的研究.pdf

哈尔滨工程人学硕士学位硷文 摘要 气动系统具有许多显著的优点，在工业自动化中得到愈来愈广泛的应用。 气动比例位置控制系统由于其价廉、简单、抗污染能力强，已成为气动伺服 技术中的重要课题。但是由于气体的压缩性、系统的非线性等因素的影响， 使得气动比例位置控制系统难以获得满意的性能。本文对气动比例伺服控制 系统的基本特性和控制系统方法进行了研究。 本文将p i d 与神经网络相结合，利用神经网络的自学习功能实时的改变 控制器的参数。同时对仿真方法做了改进，利用所建立的非线性数学模型进 行了仿真，对系统的运行和设计具有指导意义。气动机械手在工作过程中参 数会不断发生变化，给控制器的设计带来很大困难。仿真结果表明，由于单 神经元p i d 控制器的自学习、自适应的特点，改善了阀控缸气动位置伺服系 统的动态性能，具有良好的抗参数扰动的鲁棒性。很好地实现了气动机械手 的平面定位问题。 关键词：气动；气动机械手；单神经元p i d 智能控制器；摩擦力 哈尔滨工程大学硕士学位论文 a b s t r a c t p n e u m a t i cs y s t e mh a sb e e nw i d e l yu s e di ni n d u s t r i a la u t o m a t i o nb e c a u s eo f i t su n i q u ea d v a n t a g e s a sak i n do fl o wc a s t ，s i m p l ea n da n t ip o l l u t i o ns y s t e m ， p n e u m a t i cp r o p o r t i o n a lp o s i t i o ns e r v os y s t e mh a sb e c o m et h et o ps u b j e c t si nt h e f i e l d so fp n e u m a t i cs e r v ot e c h n i q u ei nr e c e n ty e a r s b u ti ti sd i f f i c u l tt oo b t a i n s a t i s f i e dp e r f o r m a n c eo ft h es y s t e mb e c a u s eo ft h ec o m p r e s s i b i l i t yo fa i ra n dt h e n o n l i n e a r i t yo f t h es y s t e m t h i sp a p e rs t u d i e st h ef u n d a m e n t a lc h a r a c t e r i s t i c sa n d t h ec o n t r o lm e t h o do f t h e p n e u m a t i cp r o p o r t i o n a lp o s i t i o ns e f r v os y s t e m t h i st e x tc o m b i n ep i dw i t hn e u r a ln e t w o r k ，u t i l i z et ol e a r nf u n c t i o n r e a l t i m ec h a n g ep a r a m e t e ro fc o n t r o l l e rb yo n e s e l fn e u r a ln e t w o r k i si t i m p r o v e t om a k e b ym e t h o d t oe m u l a t i o na tt h es a m et i m e ，n o n - l i n e a rm a t h e m a t i c sm o d e l s e tl l pt ou t i l i z ec a r r yo ne m u l a t i o n ，h a v ed i r e c t i v es i g n i f i c a n c et ot h eo p e r a t i o n a n d d e s i g n o ft h e s y s t e m p n e u m a t i cm a n i p u l a t o rp a r a m e t e r w i l l c h a n g e c o n s t a n t l y ，b r i n gh e a v yd i f f i c u l t yv e r yt od e s i g no f t h ec o n t r o l l e ri nt h ec o u r s eo f j o b e m u l a t i o nr e s u l ti n d i c a t eb e c a u s es i n g l ec o n t r o l l e r ，p i do fn e u r o n ，l e a r nb y o n e s e l f ，a d a p t i v ec h a r a c t e r i s t i c ，i m p r o v ev a l v ea c c u s eo f j a rp n e u m a t i cp o s i t i o n s e f v o d y n a m i cp e r f o r m a n c e o f s y s t e m ，h a v er e s i s t i n gp a r a m e t e r i n g p e r t u r b a t i o n i n gs t u p i da n dg e t t i n gw o n d e r f u lg o o d h a v ew e l lr e a l i z e dt h el e v e l o r i e n t a t i o n p r o b l e m o f t h ep n e u m a t i c m a n i p u l a t o r k e yw o r d s ：p n e u m a t k ；p n e u m a t i cm a n i p u l a t o r ；q u a l i t yf l o ws n c ；f r i c t i o n 哈尔滨工程大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：本文的所有工作，是在导师的指导下， 由作者本人独立完成的。有关观点、方法、数据和文献等引 用已在文中指出，并与参考文献相对应。除文中已经注明引 用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经公开发 表的作品成果。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体， 均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律 结果由本人承担。 作者( 签字) ：殛丛 日期：加咿够年占月，日 哈尔滨工程大学硕士学位论文 1 1 论文研究的目的 1 1 1 课题来源 第1 章绪论 大庆石化总厂复合肥厂生产能力3 0 万吨年，每天生产近一千吨，分袋 包装后，码在托盘上后，用叉车送往仓库，用搬运机械手来完成这一工作， 存在的问题是： ( 1 ) 机械手动作的执行元件气缸的位置控制完全是靠行程开关控制， 开关在使用过程中经常出现故障，可靠性差，常因误动作损坏机械设备。 ( 2 ) 运动惯性大，运行平稳性差，无法实现低速启动，高速旋转，低速停 止的合理运动状态。 ( 3 ) 由于机械手采用p i d 控算方法，控制系统的动态性能差，适应能力弱。 机械手在使用过程中，其功能和效果与现实的要求还存在着一定的差距， 很有必要加以研究改进，使其满足实际生产工况的需要。 1 1 2 论文研究的目的 本文针对上述问题，采用气动伺服控制系统，将p i d 控算法与单神经元 结合起来作为气动伺服系统的控制器，来改善控制效果。以满足实际生产的需 要。 哈尔滨工程大学硕士学位论文 1 2 气动机械手的国内外发展状况 1 2 1 气动技术的发展现状 气动技术是流体传动及控制技术的一个重要分支。近年来，随着工业的 _ | s 速发展，在工业自动化领域机电一体化技术得到了广泛应用，随着工业自 动化程度的提高，气动技术以其成本低廉、工作效率高、干净且不污染环境、 节约能源、使用和维修方便、对环境要求不高等一系列优点，已在各个领域 得到越来越广泛的应用，气动技术己经成为当今实现自动化的重要手段之一。 国外技术已经实现低功耗、高速度、高晌应、小型化、集成化、无油化 和机电一体化，而我国的气动技术与其相比，还存在着相当大的差距。目前， 我国以压缩空气为动力源的各种气动机械手在一些自动生产线上得到应用， 主要是利用应用处理人类难于或不便处理的问题，同时可以提高劳动效率， 降低劳动强度。而气动机械手以成本低廉节能无污染等优势用于轻工业物品 搬运装卸。结合化工、化肥生产包装的最后一道工序，袋装成品物料从生产 线上下来后进行码垛搬运，提出以电气结合使用的机械手设计方案。我国在 气动技术的研究与开发方面，缺乏先进的仪器与设备，研究开发手段落后， 技术力量差，每年问世的新产品数量极其有限。在许多的开发与研究领域还 是空白，因此必须跟踪国外气动技术的最新发展动向，以减小差距，提高我 国气动技术的水平。目前已广泛应用的气动系统中，主要还是程序动作的逻 辑控制系统，其主要功能仅限于出力、点位控制及其这两种功能的复合控制。 我国现已掌握了气动程序和逻辑控制技术，能自行进行规模庞大、过程复杂 的气动逻辑控制系统。气动伺服系统虽然有着较长的发展历史，但由于气体 的可压缩性及气缸摩擦力等因素的影响，导致气动伺服的高非线性度和低刚 度，使得实现对气动伺服系统的满意控制比较困难，至今在工业上应用并不 成熟。 近年来，随着计算机技术、微电子技术及控制理论的发展，为气动伺服 系统带来了新的生机。为了改善气动伺服系统的性能，各国学者积极开展这 方面的研究工作，气动伺服系统成为气动技术领域中的热门研究课题。气动 伺服阀由于结构复杂、价格昂贵、使用条件苛刻，一般的应用场合难以接受； 哈尔溟上程大学硕士学位论文 气动比例阀随着比例电磁铁技术趋向成熟，己出现商品化产品，且价格适中。 在有关气动伺服系统的研究中，气动比例位置伺服系统占了一个很大的部分 比重。本文结合气动机械手，比较深入地研究了气动比例位置伺服系统，在 其工作原理、数学模型、仿真方法上进行了大量尝试，力图改善其控制性能， 实现对气缸活塞的快速、精确的位置控制。 1 2 2 气动搬运机械手 机械手是一种模仿人手动作，并按设定程序、轨迹和要求代替人手抓( 吸) 取、搬运工件或工具或进行操作的自动化装置。机械手主要由手指、手腕、 手臂等运动部件组成。 传统机械手的自动定位一直是依靠伺服电机、步进马达或液压伺服定位 系统来完成。由文献”1 可知，在气动伺服闭环定位系统的控制、运行速度为 5 m s 的情况下，定位精度可达o 1 o 2 m m 。尽管它的精度比起伺服电机 和步进马达要差一个等级，但它结构简单，速度高，抗环境污染及抗干扰性 强，价格要比伺服电机和步进马达便宜得多。因此，气动伺服定位技术一经 出现便受到工业界和学术界的高度重视，同时为气动机器人、气动机械手进 入工业化领域开辟了十分宽广的前景。 气动搬运机械手是在已有的机械手基础上发展起来的。二者之间的区别 在于气动机械手发展的起点颇高，它强调模块化的形式，把专用机械手和通 用机械手结合起来。更为突出的是，机械手采用气压驱动系统。现代传输技 术的气动机械手在控制方面采用了先进的阀岛技术( 可重复编程) ，气动伺服 系统( 可实现任意位置上的精确定位) ，在执行机构上全部采用模块化的拼装 结构，因此可以代替一些抓取力不大的第一代机器人的地位，在目前的工业 自动线上有着及其广泛的应用前景。 机械手的手臂包括手臂回转、升降、伸缩三部分；手部具有两类不同型 式的手指；夹持式( 支点回转式、平移式) 和吸附式( 真空吸盘式) 手指。 选用不同型式的手指，可分别完成工件的抓取或吸附。 哈尔滨工程大学硕士学位论文 1 2 3 气动伺服控制技术 气动伺服系统一般由控制器、电一气控制元件、气动执行元件、传感器 和接口电路组成如图1 1 所示。控制器一般指计算机、单片机或可编程控制 器等控制器件。电一气控制元件包括电气伺服阀、电气比例阀和电 - 气 开关阀。气动执行元件常用的有气缸、旋转气缸、气爪、气马达等。传感器 一般指位置传感器、压力传感器或速度传感器。接口电路指控制器与控制元 件、控制器与传感器之间的接口。 图1 1 气动伺服系统组成示意图 电气比例阀系统是本文的研究内容，其一般组成如图1 2 所示。 图1 2 比例阀系统一般组成示意图 气动比例阀指应用比例电磁铁技术的流量或压力控制阀，造价相对于伺 服阀要低廉很多，频宽一般为i o h z 左右，近年来气动比例阀发展很快，是发 展最快的气动伺服系统，许多公司都推出了商品化的气动比例阀，开始进入工 业应用。 气动系统机理建模的研究开始于5 0 年代，国内一些学者对此进行了一系 哈尔滨工程大学硕士学位论文 列研究国外学者的研究比较早，1 9 5 6 年s h e r e a r 提出了基于气缸中点微小 变化的线性化数学模型“”，并对其进行了研究。这个模型的缺点是只适用于 负开口的阀和气缸中点。1 9 6 6 年b u r r o r w 发展了s h e r e a r 的模型。，使它 能适用于气缸的各个位真，然而b u r r o r w 是假设气缸两腔的压差为零得到的。 1 9 8 8 年l i u 和b u r r o r w 使用状态空间方法，提出了适用于气缸一系列固定点 的线性模型“，但忽略了气缸的摩擦力。所有这些线性模型都不适用于可变 操作点，而且只在固定点做微小对称变化时有效。虽然如此，以线性模型为 基础的控制理论在气动系统中的应用较为成熟，取得了一定的成绩。 由于气体本身固有的可压缩性，气体通过阀口流量的非线性和气缸存在 摩擦力等原因，气动系统本质上属于非线性系统，这给气动系统的控制带来 了困难，随着现代控制理论的发展，许多先进的控制方法应用于气动伺服系 统，提高了气动系统的控制性能。迄今为止，各国气动研究者都在努力寻找 一种最佳的控制策略，这是当前气动技术研究的主要方向。如日本的k a r a k i o 和a y a m a m o t o 研究了气动伺服系统的模型参考自适应“；t m a t s i u i 等用模 糊推理自学习算法研究了位置控制系统。“。 目前，气动位置伺服控制系统的研究虽然取得很多成果，但系统的性能 还需进一步改善，以满足实际的工业应用日益增长的需要。从研究方法上来 说，整个气动控制系统的研究方法还很不成熟，没有象液压控制系统那样， 已形成一套规范化研究与设计方法。在研究中，有的研究者建立了线性化的 数学模型，采用了古典理论的方法来分析；而有的研究者认为线性化的模型 是不精确的，非线性数学模型才能较精确地描述实际系统的特性。在系统回 路的构成与工作原理方面，方案也是多种多样。而在控制方法上，研究者们 尝试了从古典控制理论到现代控制理论所涉及的控制方法，但也未能分出孰 优孰劣。有关的研究一直停留在实验室阶段。目前，用不同的控制方法对气 动伺服系统研究仍在进行。 本文主要以气动搬运机械手为研究对象，在总结别人经验的基础上，在 系统的建模、仿真和控制方法上提出一些见解。 1 2 4 神经网络控制在机械手气动伺服系统中的应用 在机械手的控制方法中，p i d 的控制是比较典型的一种，但是随着控制 哈尔滨_ l 程大学硕十学位论文 理论的发展，针对p i d 控制法存在着相应的不足，p i d 控制具有简单、使用易 掌握等特点，在气动控制技术中得到了广泛地应用。但p i d 控制不适用于控 制对象参数经常变化、外部有干扰、大滞后系统等场合。在此情况下，使用 神经网络与p i d 控制并行组成控制器，利用神经网络的学习功能，在线调整 增益系数，抑制因参数变化等对系统稳定性造成的影响。近二十年来，神经 网络控制技术才开始应用在机械手控制中，主要是利用神经网络的学习能力 和并行分布式的结构，补偿系统的不确定性。神经网络自适应控制器能够通 过在线或离线的学习不断地改进系统的性能，最终达到满意的控制结果，而 整个控制过程可以不需要系统的动力学知识。神经网络的并行结构可以帮助 解决很高的计算要求。 神经网络稳定自适应控制中采用的神经网络自适应控制系统由一个反馈 控制器和一个神经网络在线自学习控制器组成，反馈控制器保证系统全局稳 定并实现无静差控制，神经网络控制器相当于一个非线性补偿器，它的作用 是通过在线学习补偿被控系统的非线性和不确定性。 为了适应这一形势的发展，近年来在气动控制技术上特别引人注目的发 展趋势之一是通过气动技术与电子技术以及机械技术的有机结合，实现气、 电一体化和气、机一体化，由于气动技术与电子技术的结合，以及周边技术 的成熟，在工业自动化领域里，气动机械手、气动机器人的实用性已经充分 体现出来。随着气动伺服定位技术出现，为气动机器人、气动机械手大规模 进入工业自动化领域开辟了十分宽广的前景。 1 3 论文主要研究内容 随着计算机控制技术的发展和现代控制理论的不断完善，以及高性能的 气动元件的出现，气动伺服技术已经有了新发展。气动伺服系统控制的难点 在于： ( 1 ) 气缸复杂的摩擦力特性； ( 2 ) 阀的流量特性的严重非线性： ( 3 ) 系统参数变化对定位精度的影响。 本文的研究对象是气动搬运机械手，主要是研究其高效的控制策略。 6 哈尔滨一l i 程大学硕士学位论文 论文主要研究的内容： ( 1 ) 正确建立系统的数学模型，主要解决的问题是气缸的摩擦力特性、 气动伺服阀的流量特性。当气缸在静止时摩擦力较大，而它一旦行始运动时， 摩擦力急剧下降，在达到一定速度后，随着速度的上升而增加。这一摩擦特 性产生了气缸在低速运动时的爬行现象，同时影响气动伺服定位系统的性能。 本文通过实验来建立气缸的摩擦力、比例流量阀流量特性近似的数学模型， 给出系统的非线性数学模型，为仿真提供较好的实验基础。 ( 2 ) 设计性能良好的控制器是气动伺服系统能稳定工作的关键，由于气 动系统严重的非线性，常规的控制器难以达到好的控制效果。本文将p i d 控 制算法与单神经元结合起来，作为气动伺服系统的控制器，并集中探讨了系 统参数发生变化对控制效果的影响。 ( 3 ) 气动搬运机械手的控制策略，此项工作主要是结合气动机械手运动 的实际情况，进行适当的修正，并考虑两者的运动合成，实现了气动机械手在 其运动范围内的定位，达到抓取物体的目的。 1 4 论文内容安排 本论文根据其内容分为五章。 第一章是概论，主要介绍了本论文的研究工作的应用背景，气动技术发 展的现状及前景，论文的章节安排和主要工作。 第二章是搬运机械手的结构与工作原理。 第三章是控制系统硬件软件的设计。 第四章是位噩伺服控制系统的分析。单气缸伺服定位系统控制策略研究， 在第二章的基础上，利用单气缸比例位置伺服控制系统的非线性模型进行仿 真。 第五章是控制器的设计与仿真分析。从理论上分析了采用智能p i o 控制 器的必要性，并主要结合实验分析参数变化时单神经元p i d 控制器的鲁棒性 和自适应性，经过反复实验，得出了一些比较有用的结论。 哈尔滨一i ：程大学硕士学位论文 第2 章气动搬运机械手的机构与工作原理 2 1 机械手的结构 机械手的种类很多，但按手臂坐标类型来分主要有直角坐标式、圆柱坐 标式、球坐标式、关节坐标式、$ c a r a 型。”。 本文所针对的机械手属于圆柱坐标式，如图2 1 所示，机械手主要是由 臂座和手臂两部分组成。臂座的主要的任务是支撑和完成手臂回转。手臂装 在臂座上，作上下直线运动，手爪可夹紧放松。 驱动部分有升降气缸、摆动气缸和手爪驱动气缸。 升降微动开关 布霞图 蛏渊i 1 1ji l _ j 8 陋韵 k 。蠹彳 - 暑， 塞二：言薹夹婿弹簧甚1毒i j 升降气缸 - 一 | j 时憾 ；i 垂直导柱 拦鬟 础j 量 图2 1 机械手简图 g 洲妣 湘舢 甲中illilll王 jfiie宕2-。、上 哈尔滨工程大学硕士学位论文 2 2 机械手的工作原理 本机械手采用气压驱动，使用的是压力为0 6 m p a ，最高可达lm p a 。气 压驱动主要优点是气源方便( 一般工厂都由压缩空气站供应压缩空气) ，驱动 系统具有缓冲作用，结构简单，成本低；便于维修。缺点是功率质量比小， 装置体积大，定位精度不高。适用于易燃、易爆和灰尘大的场合“。 这个机械手具有二个直线运动和个旋转运动自由度，用于将源工作台 上的物品搬到其左侧或右侧目的工作台上。机械手的全部动作由气缸驱动， 气缸由电磁阀控制，整个机械手在工作中能实现上升下降、左传右转、夹 紧放松功能，是目前较为简单的、应用比较广泛的一种机械手。 其升降运动通过升降气缸、垂直导柱、滑动导柱、垂直导轨及升降位置 微动开关相互配合完成，升降工作行程为o 1 5 0 0 m m ；转动是通过摆动气缸、 轱向止推轴承、摆动臂及摆动位置微动开关协调完成，摆动工作行程为o 。 1 8 0 。；手爪是通过气缸、弹簧的作用来央持物品，央持力是靠调节弹簧的预 压缩量来调整。整个系统的工作流程如图2 2 所示。 慢右转 原点，一一 慢降。 ，慢左转 卜e 二，一 快降 慢升f 一。 r l_ 映升 慢降f 抓取 皇升 快右转 慢右链2 1 o l 慢左转 慢升 一一一i i ! i 严队 nl， 恢殚，快爿 上_ = _l _ 慢眵：_ 松开一! 算升 图2 2 机械手运动流程图 哈尔滨。l 程大学硕士学位论文 它的三个气压执行机构如图2 3 所式，由于化工化肥行业的工厂里的具 有非常丰富的压缩空气源，在这里的机械手的全部动作由气缸或气压马达驱 动，气缸由电磁阀、气动比例阀控制，研究气动机械手有着非常重要的现实 意义。 机械手升降机构 机械手摆动机构手指松开夹紧机构 、j 一- 一 羔- _ l ot 鲥亨、l l j 。 。 ； 一4 i o ，、 一 了l 1 。霄 专! i l l j l 翌竺! 蔓1 ：= i r0 i l 、1 i 了m _ 。銎讲，! j ：= d i 日一_ _ 1 - j i j 嘲王t 融j 若“蚴矗了船爿d 怫。t 。j i j i 。j l “ f 。， r i ：一 ： 臣气储碴 。= 粥m 图2 3 机械手气压系统图 2 3 控制系统方案分析 将机械手的原点( 原始状态) 定为开始工作位的高位、放松状态。在原 始状态下，检测到工作台上有物品时，机械手下降到低位，夹紧物品，然后 上升到高位左转到左位，下降、放开物品，然后上升到高位，右转回到原位， 周而复始，直到停车，在上升下降、左右旋转过程中，是一个缓慢加速 一缓慢的控制过程。机械手工作过程的顺序图见图2 2 所示。为了实现这一 过程，将原来的控制加以改进，把原来的位置开关位置对应的气缸的位移量 哈尔滨工程大学硕士学位论文 作为参考控制量，通过调节比例阀电磁阀的流量，平稳调节机械手的运动速 度，从而实现机械手速度和位置调节。 作为气动伺服定位系统的整体概念，把位移传感器( 线位移、角位移) 与气缸组成一个整体，定位控制采用两个气动伺服阀、一个气动控制器和一 个驱动气缸。更重要的是控制系统是由比例控制阀加上电子控制技术组成的 比例控制系统，可满足控制要求。比例控制系统基本构成如图2 4 所示。图 中的执行元件可以是气缸，能将空气的压力能转化为机械能的元件。比例控制 阀作为系统的电一气压转化的接口元件，实现对执行元件供给气压能量的控 制。控制器作为人机的接口，起着向比例控制阀发出控制量指令的作用。比 例控制阀的精度较高。即使不用各种传感器构成负反馈系统，也能得到十分 理想的控制效果，但不能抑制被空对象参数变化和外部干扰带来的影响。对 于控制精度要求较高的应用场合，必需使用各种传感器构成负反馈，来进一 步提高系统的控制精度，如图2 4 所示 图2 4 比例控制系统的基本构成 在使用中可使用标准气缸和位置传感器来组成价廉的伺服控制系统。一 般使用厂家提供的伺服控制系统目标值以程序或模拟量的方式输入控制器 中，由控制器向伺服阀发出控制信号，实现对气缸的运动控制。气缸的位移 由位置传感器检测，并反馈到控制器。控制器以气缸位移反馈为基础，计算 出速度、加速度反馈量。再根据运行条件( 负载质量、缸径、行程及伺服阀尺 寸等) ，自动计算出控制信号的最优值，并作用于伺服控制阀，从而实现闭环 控制。控制器与微机相连后，使用厂家提供的系统软件，可实现程序管理、 哈尔滨一【程人学硕士学位论文 条件设定、远距离操作、动特性分析等多种功能。控制器也可与可编程控制 器相连接，从而实现系统的顺序动作功能。 2 4 本章小结 本章节简述了机械手的总体结构设计，介绍了机械手的结构形式、工作原 理、及系统的控制方案。气动比例伺服阀为气动控制系统开辟了广阔的前景， 利用p l c 或p c 对比例伺服阀进行流量控制，从而控制了气缸的位移量，实现 对机械手进行更简便、快速、高精度的无级速度与位置控制，以便取得良好的 控制效果，并对控制系统的方案的可行性加以分析。 哈尔滨t 程大学硕士学位论文 第3 章控制系统硬件软件的设计 3 1 控制系统的硬件设计 控制系统硬件电路由c p u ( a t 8 9 c 5 1 ) 、程序存储器( 2 7 c 6 4 ) 、数据存储 器( h m 6 2 6 4 ) 、串行接口电路( m a x 2 3 2 ) 、并行接口电路( 8 2 5 5 c ) 、光电隔离 电路、掉电保护电路等组成。系统硬件电路电气原理图如图3 1 所示。 3 2 控制系统的软件设计 控制系统的软件是整个系统的灵魂，用v i s u a lb a s i c 6 0 编制p c 机与主 单片机的串行通讯软件，用c 语言编制主单片机与其它单片机的控制软件。 主单片机与其它单片机之间的通讯属于主从式通讯；将主单片机作为上位机， 其功能主要是进行气缸的伺服控制，及时接收上位机的位置指令和汇报气缸 当前位最及传感器的信息，负责接受和发送子程序。其它单片机作为下位机， 主要完成对比例阀的流量调控，实现气缸的运动速度控制。系统控制软件的 组成如下 系统初始化 启动过程 手动控制 全自动动作过程 急停过程 复位过程 停止过程 互锁保护 报警 各程序在编制的过程中所必须包含的内容 哈尔滨一i ：程大学硕士学位论文 系统初始化：包括对系统的状态进行检测和存储，设茕标志位，各 气缸回零位。 启动过程：系统启动前各手均在零位( 即停机位置) ，启动时为了 避免飞车，首先对各主要气缸进行反向充气，然后再进入初始位置。 手动控制：主要完成用手动控制盒进行调整肘所做的各种动作。 全自动动作过程：完成系统正常工作时的动作过程。 急停过程：系统急停有两种方式，一种是硬急停，即急停按钮压下 后，所有电磁铁断电，各气缸保持原位：一种为软急停，即软急停 条件满足时。将所有的继电器状态保存，并使对应各电磁铁的输出 置零，由于所有的控制阀均采用中央封闭的三位五通阀，故断电时 要保证各气缸保持原位。软急停的条件包括急停按钮压下、系统状 态改变( 即由运动变为调整) 、延时报警和低气压报警。 复位过程：如果系统停车，除可用手动调整外，还可以在运动状态 时按自动复位按钮使其自动回到初始位置。 停止过程：系统在初始位置等待状态下按下停止按钮，将自动进入 停机位置，结束工作。 互锁保护：系统如果在非正常状态下动作，有可能发生干涉，因此 加入互锁保护电路使其相互制约，避免损坏设备或发生意外。 报警：在两种条件下报警，种是某一气缸自开始动作后超过时限 而没到位；另一种为气源压力低于允许值。 本控制系统的软件采用模块化方式设计，包括主程序模块，子程序模块和 中断模块。予程序包括上升、下降、左传、右转、抓取、松开、延时等子程 序，中断模块有外部急停和内部接受和发送、中断等。 系统的控制流程图见图3 2 ( a ，b ) 1 4 哈尔滨工程大学硕十学位论文 团剐隧扩固留锄苹器螺帐ic匝 哈尔滨工程大学硕十学位论文 图3 2 a 主程序框图 1 6 甲 哈尔滨t 程大学硕士学位论文 哈尔滨工程大学硕士学位论文 l p 2 l l 启动按键s m l i 升降机构下行 图3 2 b 控制流程图 8 哈尔滨t 程大学硕士学位论文 3 3 本章小结 本章节简介了机械手的控制系统的软硬件设计，从硬件、软件的构成上介 绍了控制系统的基本结构，设计了电气控制电路图；根据机械手在实际工作 中的动作与步骤，编制了机械手的控制程序；利用开关控制和伺服阀相结合， 以实现定机械手的气动定位控制功能，为下一步的讨论研究作好了基础工作。 哈尔滨上群人学硕士学位论文 4 1 概述 第4 章位置伺服控制系统的分析 气动伺服定位系统的研究可追溯到8 0 年代初期，但工业应用阶段却是近 几年的事。它是气动机械手中极为关键的技术之一。气动伺服定位系统与电 机驱动定位系统相比，其价格低廉，结构简单，抗环境污染和抗干扰性强， 该项技术的出现就受到工业界和学术界的高度重视。 早在8 0 年代，国内外就开始学术研究，采用位置、速度、加速度三状态 反馈的控制方法可获得满意的动态和静态特性。近年来，人们还研究如何通 过模糊控制理论对反馈控制参数进行自适应调节。 气动伺服定位系统真正实现其工业使用化却是近几年的事。关键的技术 困难是状态反馈控制参数的优化调定十分复杂，一般在市场能得到的气动伺 服定位系统其控制参数往往是预先在厂家调定的。即根据用户提出的使用要 求，由厂家提供整套已安装调试完毕的系统。同时为了容易地得到令人满意 的控制结果，往往要对所采用的气缸进行特殊设计，以使摩擦特性得到优化。 这种系统在应用中的局限性是十分明显的。目前由f e s t o 公司开发的s p c i 0 0 智能控制器能自动地完成反馈控制参数计算和优化，用户无需掌握复杂地控 制技术和气体力学等方面的知识即可操作气动伺服定位系统。 气动控制系统一般由传感器、控制阀、执行元件及控制器( 回路) 等组成， 传统的气动控制系统采用的控制阀工作频率较低，所以主要特点是点、位控 制的顺序控制方式( 这里不包括常规气动调节器构成的模拟控制) 。 气动控制有断续控制和连续控制。气动程序控制属于断续控制的所用控 制阀是开关方向控制阀；而气动比例伺服系统则为连续控制，所用的控制阀 为比例阀或伺服阀。 本文所用到的比例流量型控制阀v e f 3 1 2 1 ，气缸型号为l - c d g l b n 5 0 7 5 0 ，另一气缸型号为l - m d b b 6 3 1 5 0 0 ，位移传感器使用光电编码器， 控制方法为连续无级控制。其系统组成框图如图4 1 所示。 哈尔滨工程火学硕士学位论文 图4 1 气动位置伺服系统组成框图 为了便于分析问题，我们做如下假设， ( 1 ) 在动作过程中，气缸腔内气体与外界无热交换； ( 2 ) 气缸腔内的气体热力过程为准静态过程； ( 3 ) 气源压力一定，气源温度为环境温度； ( 4 ) 气缸的内外泄露均忽略不计。 ( 5 ) 气体粘度小，忽略控制截面处粘性阻力的影响。 ( 6 ) 不考虑引力场对气流的作用。 ( 7 ) 计算中采用质量流量。 其中气缸是执行机构，气动比例阀用来控制气体流量以达到控制气缸活 塞运动速度的目的，比例流量阀包括v e a2 5 1 比例放大器，用来驱动气动阀， p c 机起控制器的作用，位移传感器返回机械手的位置。微机的接口部分，包 括数字i o ，b a 转换器，由于其固有频率较高，其动态过程对系统性能基本 无影响，可以忽略。需要仔细加以考虑的是比例流量阀与气缸的数学模型。 图4 2 气缸的运动模型 对于如图4 2 所示的气缸其运动方程汹1 m ，= p i a l p 2 a 2 一f r f i ( 4 - 1 ) 式中， m 一运动部分质量； f 一负载力； f ，摩擦力； 哈尔滨工程人学硕士学位论文 p ，p ，一分别为气缸进、排气腔绝对压力： y 一活塞位移； a ，a ，一分别为气缸避、排气腔有效面积。 气缸腔内的充放气过程为一变质量系统的热力过程。在前述假设条件下， 对于工作腔，根据恒定气源向有限容积绝热充气的能量方程。”有 k r t d m = v , a e + k p d v ( 4 - 2 ) 碥 e 2 百南( r t r h - - p i a l 妒( 4 - 3 ) 同样可得另一腔的压力变化公式 冀= f熹(ga2_=lrtrh2)a o + 2 ( 三一y ) “ ( 4 4 ) 式中， k 。，v 2 0 - - - 分别为气缸进、排气腔余隙空问； k 一绝热指数： r 一气体常数； r 一气体的热力学温度； 上一气缸总有效长度： 上述四式，大部分参数可以测量或间接计算得到。比较困难的是摩擦力 f ，和质量流量痂的确定，这是本章重点讨论的问题。 4 2 气缸摩擦力的特性 气缸的摩擦特性对气动伺服定位系统的性能影响较大，一般标准气缸的 运动速度一摩擦力特性如图4 3 的曲线a 所示，当气缸在静止状态时摩擦力 较大，而一旦开始运动时摩擦力急剧下降，在达到一定的速度时又随着速度 的上升而增加。这一摩擦特性产生了气缸在低速运动时的爬行现象，同时影 响气动伺服定位系统的性能。解决这一困难的方法是对气缸的摩擦特性进行 优化，设法得到曲线b 所示的摩擦特性。但这种气缸的制造成本很高、寿命 短并且最大运动速度受到限制。一个行之有效的方法是根据气缸的当前运动 速度校f 反馈增益，同时在控制信号中增加颤振信号。“。但对摩擦力大的气 哈尔滨t 程人学硕士学位论文 缸，加较大的颤振信号会引起系统的不稳定，因此需要从本质上降低气缸的 摩擦力，文献。对一些新型气缸做了介绍。 由于气体本身固有的可压缩性、气体通过阀口流量的非线性和气缸存在 较大摩擦力等原因，气动系统本质上属于非线性系统，这给气动系统的控制 带来了困难。气动系统的摩擦力是其严重非线性化的一个重要因素，由于气 动机械手的刚性差，执行机构的摩擦力是影响轨迹跟踪的重要因素。 r 蜒 世 速度v 图4 3 气缸的摩擦力速度特性图4 4 摩擦力的变化曲线 由于非线性及多变性，对摩擦力有各种描述方法。一般认为，摩擦力包括两 个分量f ，。，一：。，如图所示：乃= 乃。+ 乃：，当速度增加时，吩增加，巧： 减小。 对气动机械手的良好控制，必须对摩擦力有深入的研究，用现代控制理 论的方法，以减小或消除摩擦力对气动机械手伺服系统的影响。 静摩擦可简化为突变摩擦，如图4 5 所示 j f c f s 、 l r j - f s f c v jl f c f s r - f s f c a ) 实际特性b ) 理想特性 图4 5 静摩擦力( f ) 和库仑摩擦力( ) 的特性 v 夕 一 一 二 哈尔滨工程大学硕士学位论文 图4 6 是测量本系统摩擦力特性的原理图 由计算机通过d a 给气动比例流量阀一定的信号，改变气缸的运动状态， 压力传感器将气缸两腔的压力变化通过a d 传输给计算机，同时通过位移传 感器测试气缸的位置变化，并通过对位移曲线对时间的导数求出气缸的运动 速度。摩擦力的值由公式( 4 一1 ) 给出。 只= 置爿，一最彳：一 巧一t ( 4 5 ) 若令轴向负载f = 0 ，则当气缸由静止到低速运动( 大于爬行速度) 时， 一e 缸速度小、加速度较小，近似为零。由此可测试气缸库仑静摩擦力、库仑 动摩擦力的大小。 4 3 气动比例流量阀的流量压力特性 4 3 1 比例控制的特点 流量控制阀是对回路中的流动给予一定的阻力，从而控制气缸等执行元 件的运动速度，控制换向阀的切换时问和速度或者调整放气量的阀的总称。 在气动回路中设置的流量阀，按照系统中的某个变量来调整阀的开度的情况 是极为罕见的。大多是将阀的开度调定在某一固定值，在使用中保持不变。 哈尔溟工程大学硕士学位论文 在气动系统设计时，系统的流量特性是由组成系统的每个元件的流量特 性经过一定的换算得到。 气动比例控制则为连续控制，所用控制阀为伺服阊或比例阀。比例控制 的特点是输出量随输入量变化而相应地变化，输出量与输入量之问有一定的 比例关系。比例控制又有丌环控制和闭环控制之分。开环控制的输出量与输 入量之间不进行比较，而闭环控制的输出量不断地被检；9 1 | l ，与输入量进行比 较，其差值为误差信号，以误差信号进行控制。闭环控制也称反馈控制。反 馈控制的特点是能够在存在扰动的条件下，逐步消除误差信号，或使误差信 号减小。 在伺服系统中，比例( 伺服) 阀被用于执行器的控制元件。这些阀的稳态 方程为非线性，故很难建立一个正确的模型，尤其在气动系统中更难。通常 需要考虑阀的动态，虽然阀的固有频率比蹩个系统的固有频率大得多，但是， 为了最精确的分析，应使用阀芯位移量的二阶模型。 4 3 2 气动比例流量阀的电压一电流特性 由于阀是依靠电流来获得阀芯位移，而计算机输出的是电流值，因此需 要通过实验来确定电压与电流的关系，图4 7 是依据实验结果绘制出的电压 与电流关系曲线，实验中输出电压变化间隔为o 1 2 v 。 图4 7 控制器输出电压与阀电流关系曲线 从图中可以看出，控制器输出电压与阀的电流呈现出很好的线性关系 可以用如下公式描述 i - k u + b 2 5 哈尔滨工程人学硕士学位论文 对实验采集的数据利用m a t l a b 函数p o l y f i t “”进行一阶曲线拟合得 k = 2 1 0 9 7 9 6 b = 一1 6 6 8 8 8 从而有 f = 2 1 0 9 7 9 6 u 一1 6 6 8 8 8 ( 4 - 6 ) 式中电压的单位为伏，电流的单位为毫安。后面的实验中，我们都是按 式( 4 - 6 ) 来估算阀的电流大小。 4 3 3 气动伺服阀流量特性的一般分析 流量控制阀是对回路中的流动给予一定的阻力从而控制气缸等执行元 件的运动速度，控制换向阀的切换时间和速度或者调整放气量的阀的总称。 在气动回路中设置的流量阀，按照系统中的某个变量来调整阀的开度的情况 是极为罕见的。大多是将阀的开度调定在某一固定值，在使用中保持不变”o 在气动系统设计时，系统的流量特性是由组成系统的每个元件的流量特 性经过一定的换算得到。 实际上，阀控缸系统是控制阀的开口面积来控制气缸两腔流入或流出流 量，因而我们需要研究气动比例气阀的质量流量。 本系统所用的比例流量阀v e f 3 1 2 1 ，其工作原理是目前比较常见的，主 要有两方面的特点：其一是其电机械转换器采用输出力较大的动铁式比例 电磁铁，其二是由弹簧实现被控量( 阀芯位移) 的机械反馈。响应时间小于0 0 3 秒，为一滞后环节。 以图4 2 中的左腔为例，将阀口流量看成是开口面积a ，供给压力只( 上 游压力) 和出口压力只( 容腔压力或下游压力) 的函数是合理的“”，伺服阀开口 面积a 是通过控制信号“改变的，“是真正的控制信号。即 疏= 厂( 彳 ) ，b ，只 ( 4 7 ) 一般将a ( u ) 看成是u 的线性函数，但实验证明应将a ( u ) 看成是“的二次 函数”，即 4 ( “) = k l “+ k 2 “2 ( 4 8 ) 式中的k ，和k ，由实验确定。 由于气体通过阀口的过程十分复杂，目前尚无较好的公式来描述这个过 哈尔滨工程大学硕士学位论文 程，通常采用如下的s a n v i l l e “”流量公式： 砌：等厨甭 砌= 一a ( 丁u ) j vr k t 2 + 1 、| 西 旦 c j 口! 。 争c ， ( 4 - 9 ) 其中，c ，2 【焘j 为临界压力比。 s a n v i l l e 的公式是将通过阀口的气体流动过程近似为理想气体通过收 缩喷管的一维等熵流动得到的。气体通过收缩喷管的流动分为两种情况： ( 1 ) 当气体的流速小于音速，即马赫数m 1 时，气体处于亚临界状态。 这时阀口两端的压力满足詈) c ：，气体的流动受阀口背压只的影响。 ， ( 2 ) 当气体的流速大于或等于音速，即马赫数m 1 时，气体处于临界状 态。这时阀口两端的压力满足詈q ，气体的流动状况不再受阀口背压鼻的 影响。s a n v i l l e 的流量公式就是根据这两种情况得出的分段数。 4 3 4 气动伺服阀流量特性的实验测定 瞬时流量的直接测定是十分困难的，我们采用间接测定方法。将系统看 成绝热过程，有d o ，：o ，若固定气缸的容腔体积不变，有华：o 。在气体的 俄讲 运动过程中，容腔有以下四种形式的能量变化： ( 1 ) 气体流入或流出容腔时，气体将本身具有的能量威8 带入或带出系统。 设单位质量气体所具有的内能“、动能”z 和压力能g z ，则 哈尔滨1 ：程人学硕士学位论文 砌p = 砌( “+ v 么+ g z ) ( 2 ) 气体出入容腔时，容腔和夕 界需要做的被动功a w = r h p v ，其中p 为 气体压力，v 为气体比容： ( 3 ) 容腔和外界的热交换a q ( 4 ) 活塞运动时容腔对外界所做的功w s = p a v 若不考虑气缸和阀的泄露，根据能量守恒定律，得容腔内总能量点应等 于 堕：f r l l e + r h ，e 。+ 堕+ 盟 田 11 以出 堕：r h 2 e + r h m 2 e ，只v ，+ 垫+ 盟 ( 4 一l o ) 孑2z 缈：+ 言+ 彳 1 假设气体是理想气体，不计气体的动能和位能，则 嘲p + 廊尸v = m ( u + p v l = m h ， 其中，h 是气体的比焓：h = c ，b ，c ，为气体定压比热，瓦为阀v a 气 体的温度( 热力学温度) 。又气体内能为e = c 。t ，由理想气体状态方程可 知：p v = m r t ，贝u 有e = c ，p v r ，其中r = c p c 。 根据以上条件简化上面两式，得 堕：尺旦堕一生墨盟+ 堕 d t c p _c ，_ d tc ，k d t 堕：r 旦堕一生墨堕+ 堕( 4 一i