（机械电子工程专业论文）智能型气液增力系统位置控制的研究.pdf

摘要 智能型气液增力系统是一种机电一体化系统，其核心是气液增力 缸。气液增力缸采用气液联合传动，克服了气体传动的平稳性差、抗前 冲能力弱、在任意位置定位准确性差等缺点，吸收了液压传动速度一负 载特性好、抗前冲、在任意位置定位准确等优点，在流体传动领域大有 发展前途。 本文首先对气液增力位置控制系统进行了设计，包括气液增力缸的 结构设计以及控制回路的设计，分析了气液增力缸的运动特点，并对气 液增力位置控制系统进行了建模研究，得出了系统的估算模型。 然后，分别根据p i d 控制和模糊控制特点，设计了模糊p i d 控制器， 它结合了模糊控制的动态响应好、上升时间短、超调小和常规p i d 控制 的稳态性能好、无稳态偏差等优点。仿真结果表明，使用模糊p i d 控制 器有效地克服了系统非线性、参数时变性以及模型不确定性因素引起的 控制难的问题。 最后，利用组态软件k i n g v i e w 和k i n g a c t 对系统控制程序进行了 设计，并详细分析了程序设计的过程。根据所设计的控制程序对智能型 气液增力系统进行了位置控制实验。实验结果表明，所设计的控制系统 能取得良好的控制性能。 关键词t气液增力缸，位置控制，模糊p i d 控制，组态软件，仿真 + a b s t r a c t t h ei n t e l l i g e n tp n e u m a t i c h y d r a u l i ci n t e n s i f y s y s t e mi sak i n do f m e c h a t r o n i c s s y s t e m ，a n dt h ep n e u m a t i c h y d r a u l i ci n t e n s i f i e ri s i t s k e y c o m p o n e n t t h e i n t e n s i f i e rw i t h p n e u m a t i c h y d r a u l i c c o m b i n a t i o n t r a n s m i s s i o nh a se l i m i n a t e dt h es h o r t c o m i n go fp n e u m a t i cs y s t e ms u c ha s l o w s m o o t ha n ds t a b i l i t y , w e a k a n t i - f o r w a r d r u s h a b i l i t y a n d p o o r p o s i t i o n - s e t t i n g ，a n da b s o r b e dt h eh y d r a u l i c m e r i t s o fg o o d s p e e d l o a d c h a r a c t e r i s t i c s ，a n t i f o r w a r d r u s ha b i l i t ya n dp o s i t i o n s e t t i n ga n de t c i tw i l l h a v eag r e a td e v e l o p m e n ti nf l u i dd r i v i n gf i e l d i nt h i st h e s i s ，t h ep o s i t i o nc o n t r o ls y s t e mo ft h ep n e u m a t i c h y d r a u l i c i n t e n s i f ys y s t e mw a sd e s i g n e df i r s t l y ，i n c l u d i n gd e s i g no ft h ei n t e n s i f i e r s t r u c t u r ea n dt h ec o n t r o ll o o p i t sm o v e m e n tc h a r a c t e r i s t i c sw e r ea n a l y z e d ， a n dt h e nt h em a t h e m a t i c a lm o d e lo ft h ep o s i t i o nc o n t r o ls y s t e mw a ss t u d i e d a n dd e r i v e d s e c o n d l y , a c c o r d i n gt ot h ec h a r a c t e r i s t i c so fp i da n df u z z yc o n t r 0 1 a f u z z y r p i dc o n t r o l l e rw a sd e s i g n e d , w h i c hc o m b i n e dt h ea d v a n t a g e so f f u z z y ：a n dp i dc o n t r o l , ：s j t t c ha sr ：g o o d d 酶a m i 6a n ds t a t i cc h a r a c t e “s t i c s ， s h o r tr e s p 蛾n d it i m e ，l ：f t t l 奄 o v e r s h o o ta n d ：t ms t a t i ce r r o r t h e c o m p u t e r s i m u l a t i o nr e s u l t ss h o wt h a ti ts o l v e st h e p r o b l e m s o fn o n l i n e a r i t y , p a r a m e t e r st i m e v a r i a t i o na n dm o d e lu n c e r t a i n t y f i n a l l y , t h es y s t e mc o n t r o lp r o g r a mw a sd e s i g n e du s i n gc o n f i g u r a t i o n s o f t w a r ek i n g v i e wa n dk i n g a c t ，t h e nt h ep r o c e s so ft h ep r o c e d u r ed e s i g n w a sa n a l y z e di nd e t a i l a c c o r d i n gt ot h ec o n t r o lp r o g r a md e s i g n e d ，t h e p o s i t i o nc o n t r o ls y s t e mo ft h ei n t e l l i g e n tp n e u m a t i c - h y d r a u l i ci n t e n s i f y s y s t e mw a st e s t e d t h er e s u l t ss h o w e dt h a tt h ec o n t r o ls y s t e md e s i g n e dh a d g o o dc o n t r 0 1p e r f o r m a n c e k e y w o r d s ：p n e u m a t i c h y d r a u l i ci n t e n s i f i e r ；p o s i t i o nc o n t r o l ；f u z z yp i d c o n t r o l ；c o n f i g u r a t i o ns o f t w a r e ；s i m u l a t i o n 学位论文独创性声明 本人声明，所呈交的学位论文系在导师指导下本人独立完成的研究成果。文 中引用他人的成果，均己做出明确标注或得到许可。论文内容未包含法律意义上 已属于他人的任何形式的研究成果，也不包含本人已用于其他学位申请的论文或 成果，与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说 明并表示谢意。 学位论文知识产权权属声明 本人在导师指导下所完成的论文及相关的职务作品，知识产权归属l “东轻工 业学院。山东轻工业学院享有以任何方式发表、复制、公开阅览、借阅以及申请 专利等权利，同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子 版，本人离校后发表或使用学位论文或与该论文直接相关的学术论文或成果时， 署名单位仍然为山东轻工业学院。 论文作者签名： i 丝i 童 日期： 2 丝年互月j 2 日 导师签名： 警生 日期：堕竺垒年鱼月二上日 1 山东轻工业学院硕士学位论文 1 1 课题的提出与研究意义 第一章绪论 在近几十年中，流体传动技术己取得了令人瞩目的进步，其应用范围 覆盖了各行各业，从包装业和材料处理到机床工具和金属切削，从航天和 国防到食品加工，从船舶工业和海岸作业到农业机械，从塑料工业和射压 造型到矿山和建筑工业，从娱乐业到医学工业，涉及到了人们生活的方方 面面。 流体传动主要包括液压和气压两种传动方式。液压传动速度负载特性 好，功率密度比大，工作、严稳，易于实现过载保护，能实现任意位置的准 确定位；但其缺点同样明显，泄漏、振动、发热是其本身缺陷。气压传动 是以空气为工作介质，易于实现快速的直线往复运动、摆动和高速转动， 输出力和运动速度的调节都很方便，能适应易燃、易爆、潮湿、温度变化 大等恶劣环境；但气压传动平稳性差，传动效率较低，抗强冲能力弱、在 任意位置定位准确性差。 两种传动方式都有自己的优缺点，在选择传动利控制方式时，应扬长 避短。气液联合传动是将气压传动和液压传动结合在一起，能吸收液压和 气压传动各自的优点，在流体传动领域有很大的发展前途【2 】。另外，在工 业生产中，机械设备和装置要求在全程施出最大力的情况不是很普遍的， 特别是在压力成型设备中，往往都要求空行程时以尽可能快的速度接近工 件，工作行程时才需施出使工件变形所需要的工作载荷。为此，根据2 i 液 联合传动原理，我们设计了一种能实现这种运动特性的智能型气液增力缸。 这种气液增力缸通过合理的设计使得气液很好的隔离，巧妙地将增力 部分、工作部分和储油部分集成为一体，工作时可根据需要施出几十吨至 上百吨的力，可利用气动资源达到液压传动的效果。与液压传动相比，它 具有造价低、效率高、工作可靠、便于维修等诸多优点，可应用于精压、 挤压、拉伸、板材弯曲、剪切、冲孔、铆接、焊接等诸多设备和装置中。 采用这种设备，可以极大地提高生产率，降低生产成本，提高牛产的 自动化水平。目前困内还没有企业开发、生产智能型气液增力驱动系统。 本课题的起点高、技术水平先进，完成后将接近国际当代先进水平，并填 补国内空白，有较广阔的市场前景。 目前，位置( 行程) 控制系统是流体传动与控制领域研究的热点，在 工业自动化中有着广泛的应用【3 】。设计一种合适的位置控制系统是本课题 i l 第章绪沦 研究的重点，智能型气液增力系统位置控制系统的研究成功，不仅可以扩 展该驱动系统的应用范围，而且能更进一步提高其自动化水平。 1 2 气液增力技术概述 气液增力技术在工程中的应用已经有了较大发展，它采用气液联合传 动，综合了液压及气动的优点，被称为温顺的重体力劳动者，已经在日、 德等国制造的自动化机构中得到广泛应用，效果很好。气液增力技术的核 心是气液增力缸。近年来，国外的气液增力缸纷纷进入我国市场，该技术 必将在我国工业的未来发展中发挥重要的作用1 4 】。 气液增力缸是气动技术中具有特殊性能的动力执行元件，它是一种无 需配套液压装置即可获得百吨以上输出动力的能耗低、耐磨损、工作频率 高、噪声低的纯气动工作气缸。这种气缸在快速行程中的低冲击力既可保 护模具、又可提高工件的加工质量。另外，与普通气缸一样，它还能很方 便地实现无级调节和自动控制f 5 】。 气液增力缸的基本原理如图1 1 所示。r 为气源压力，尸为油液压力。 左边为液压缸，右边为气液缸，两缸中的油液由一通道相连，密封性能良 好。当气源供压力气时，推动活塞d 。，从而带动小活塞d 产生增大的压力， 传递到油液，油液推动活塞d ，产生增大后的作用力f ，向外输出。图1 1 只是工作原理简图，实际机构还应考虑运动的回程、油液的密封、零件的 工艺性等等。 图1 ，1 气液增力缸 二作原理图 忽略摩擦力、阻尼力等，可推导出p 、n 及f 间的关系如下。 r i d 2 p ：”- - d 0 2 只 ( 1 - 1 ) 44 ” 矗油商甲忙 i l l 糸轻卜业学院硕士学位论文 p ：( 辱) ：异 ( 1 2 ) ，= 曼4 。2 尸= 至4 。2 ( 堡d ) 2 只= 三4 ( 里d 堡) 2 只 ( 1 - 3 ) 、， u 、 。“ 式( 1 - 2 ) 为压力增大式，设五：( 里q z ，则称a 为增压比。式( 1 - 3 ) d 为输出力增大式。 由上面的式子可见，增大d n 或者减小d 均可提高系统的增压比：但d 。 的增大与d 的减小均有一定限度，d 过小会使运动时油液的传输量过小， 从而使液压缸的输出行程过小，影响对外做功，d n 过大，又会使结构庞大， 不紧凑。 结构参数d 。、d 、d 的选择应权衡增力缸的实际用途，综合考虑结构、 输出力、压力油的密封等因素【6 】【7 】。 1 3 位置控制技术的发展现状 位置控制亦称行程控制，传统的位置控制的一般模式可以用图1 2 所 示方框图表示。当发出启动信号后，经逻辑控制回路运算后，发出箔一个 执行信号，控制换向阀换向，输出气流指挥和推动执行元件动作。动作完 成后，执行机构在其行程终端触发第个行程发信器，发出新的信号，再 经逻辑控制回路运算后发出第二个执行信号，控制换向阀换向，输出气流， 指挥执行机构动作。依次循环不断地运行，直到遇到终止信号【。 启 图1 2 位置控制方框图 其中，控制阀或换向阀是控制执行元件动作的元件，它可以是气动比 例阎、伺服阀，或者是开关阀。 1 3 1 基本控制类型 传统的位置控制一直停留在开关控制阶段，对位置连续控制的研究开 始于上个世纪五十年代。目前，位置控制系统的基本类型芒要包括由开关 阀组成的流体脉冲凋制控制和由比例伺服阀组成的t ：kx s u 伺服控制。 笫章绪论 1 流体脉冲调制控制 流体脉冲调制是通过与位移信号相对应的一组脉冲信号直接使阀做通 一断动作，形成间断的脉冲流体，从而达到控制平均流量输出的目的。其丰 要方式有：脉码调制p c m ( p u l s ec o d em o d u l a t i o n ) 、脉宽调制p w m ( p u l s w i d t hm o d u l a t i o n ) 、脉频调制p f m ( p u l s ef r e q u e n c ym o d u l a t i o n ) 、脉幅 调制p a m ( p u l s ea m p l i t u t i o nm o d u l a t i o n ) 和脉冲数调制p n m ( p l u s e n u m b e rm o d u l a t i o n ) ，其中最常用的是脉宽调制p w m 和脉码调制p c m p j 。 p w m 是利用高频脉冲信号控制开关阀，它通过控制脉冲宽度，即通 过控制开关阀的开启时间来控制平均流量。该控制系统结构简单，性能可 靠，抗污染能力强，采用的开关阀可以直接与微机接口而无需a d 转换， 从而能以高效率处殚大信号并且对干扰的灵敏度低u o l 。在p w m 控制中， 阀的开关时间对系统响应速度影响很大，要想得到快速响应，必须采用高 性能的开关阀，为此提出了脉码调制p c m 】。 p c m 是通过控制具有不同有效面积的开关组合来实现流量控制。它把 控制信号编为n 位二进制信号来控制n 个开关阀的开肩和闭合。这n 个开 关阀的有效截面积成倍数增大。n 个开关阀的开关组合数为2 “，可获得2 “ 级不同的流量。气缸活塞位置由位移传感器检测，经a d 转换器送入计算 机。计算机接收指令位置信号，与实际检测到的位置信号进行比较，采用 适当的控制算法运算后，发出输出控制信号，经输出驱动接口电路板控制 电磁阀的开闭1 1 2 。 p w m p c m 位置系统价格便宜、抗污染能力强，但它们需要使用大量 的开关阀，且系统存在稳态波纹，系统噪声大、开关阀寿命短等缺点 1 3 1 1 1 4 1 。 2 比例伺服控制系统 比例控制技术是2 0 世纪6 0 年代末人们开发的一种可靠、控制精度、 响应特性均能满足工业控制系统实际需要的控制技术【1 5 】。它是指输出量随 输入量按比例的连续变化的随动控制系统。它们采用的关键元件分别是比 例阀和伺服阀。作为控制阀的功能，比例阀和伺服阀在实际应用中有时不 加以严格区分，将两者统称为比例伺服阀 1 6 1 ，它们组成的系统统称为伺服 系统。这种系统可实现压力、流量连续变化的高精度控制，非常方便地实 现多点无级定位( 柔性定位1 和无级调速。比例伺服控制系统的主要特点是 运动速度高、输出功率大、工作寿命长，在工业自动化领域的应用中表现 了强劲的竞争力 1 7 1 。伺服控制系统不仅可以使驱动机构的动作周期缩短 3 0 ，而且能大幅度降低驱动机构在制动和肩动过程中的振动，从而提高 了产品质量，降低了设备损耗。但系统的控制精度越高，对传感器和构成 “东轻工业学院硕l 学位论文 反馈控制囤路的电子元件要求亦越高。因此比例伺服控制系统发展前途的 关键在于相应的传感器和高性能电子元件能否广泛被采用，即取决于它们 的制造成本和功能可靠性1 1 8 。 总体来说，两种控制方法各有特点。流体脉冲调制控制主要以开关阀 作为控制元件，与计算机接口方便，成本较低，但开关阀系统存在噪音大、 寿命不足等问题，近年来发展较慢，一直处于实验研究阶段，若能解决几 个关键问题，则应用前景较好。比例伺服阀控制中，比例阀和伺服阀的特 点相似，频宽较高、响应速度快，但伺服阀的成本较昂贵，在一般的工业 场合较少应用，而比例阀造价相对较低，发展迅速，许多公司都推出了商 品化的气动比例阀，并在气动领域获得了广泛的应用。因此，比例伺服控 制将是气动位置控制系统今后高科技应用发展的火车头。 1 3 2 位置控制策略概述 采用合适的控制方法，用控制器或计算机软件来驱动气动伺服位置系 统可以实现活塞在气缸全行程任意位置上的定位，不仅能够改善气缸缓冲 性能，而且还可以提高定位精度。 流体系统本身存在非线性、时变性、参数变化和外负载干扰大等特点， 所以控制策略的选择对流体系统性能的影响至关重要。近年来发展起来的 流体控制策略主要有：p i d 控制、自适应控制、鲁棒控制和智能控制i i 。 1p i d 控制 p i d 控制具有算法简单、易于实现、可靠性高等优点。在p i d 控制中， 一个关键的问题便是p i d 参数的整定，传统的方法是在获取对象数学模型 的基础上，根据某一整定原则来确定p i d 参数。然而实际的工业过程往往 存在着不确定性和非线性，难以建立精确的数学模型，应用常规p i d 控制 不能达到理想的控制效果，并且常规p i d 控制器参数不能在线调整，难以 满足实时控制的要求。而且传统的p i d 采用线性定常组合的方法，难以协 调快速性和稳定性之间的矛盾，在具有参数变化和外干扰的情况下，其鲁 棒性也不够好。在这种情况下，p i d 控制吸取了自适应控制和智能控制的 思想，形成了自适应p i d 、模糊p i d 、神经网络p i d 、智能p i d 等新型p i d 控制方法，得到了广泛应用。 2 自适应控制 自适应控制系统的最大特点是被控对象能自动适应工作环境及自身参 数在一定范围内的变化，使系统始终保持在优化状态下工作。自适应控制 的出现，改变了控制系统只能在事先确定的参数状态下工作的局限性。尽 第一章绪论 管当前各种自适应控制在液压气动控制领域中有一定的应用，但应用并不 广泛。其主要局限性在于在线计算量大和需要知道数学模型或一些先验一 知识，要满足各种稳定条件等f 2 0 1 。当前自适应控制进一步研究的方向是减 少计算量及对数学模型的依赖性，使之能满足比较复杂的液压气动系统在 线控制的需要。 3 鲁棒控制 在实际问题中，系统的模型可能包含不确定因素，希望这时控制系统 仍有良好性能，这就是鲁棒控制问题。在流体控制界对鲁棒控制研究得较 多的有两类：一类是变结构控制，另一类是h 。控制。 ( 1 ) 变结构控制变结构控制的突出优点是滑动模态对系统参数 变化和外部干扰具有完全不变性，其丰要缺点是系统存在抖动一切换滞后 所引起的自振。 ( 2 ) h 。控制h 。控制的实质是为多输入多输出且具有模型摄动的 系统提供了一种频域的鲁棒控制器设计方法。它要求频率响应函数的h 。模 的上确界极小，这种方法成功地应用了经典函数论和算子理论。在h 。模约 束下已成功解决了多变量定常系统的整定补偿问题。h 。方法既保留状态空 间方法在计算上的优点，又有频率法的直观性，加上h 。控制器的设计全部 工作可由m a t l a b 语言实现，所以对工程技术人员很有吸引力。 上述的控制方法都有一些共同的缺点，即依赖数学模型较多；解决不 确定性问题能力不强；有的计算工作量较大，不利于快速响应的气动系统 的在线控制；对非线性复杂系统问题难以解决等。下面介绍的智能控制能 较好地解决这些问题。 4 智能控制 智能控制是自动控制、运筹学和人工智能相结合的产物。模糊控制和 神经网络是智能控制的两个重要分支。 ( 1 ) 模糊控制模糊控制不需要精确的数学模型，对系统参数变化 适应性强，是解决不确定系统控制的一种有效途径。但它对信息简单模糊 的处理将导致系统控制精度降低和动态响应品质变差。若要提高精度则必 须增加量化级数，从而导致规则搜索范围扩大，降低决策速度，甚至不能 实时运行。经典模糊控制的另一个缺点是不能自动修正控制规则，而且构 造个模糊控制器需要设计者对系统有较好的认识，有专家经验。为了克 服这些缺点，最重要、的方法是将模糊控制与其他控制策略相结合，形成新 的复合控制系统【2 l 】 2 2 】。 ( 2 ) 神经网络控制神经网络控制( n n c ) 是模仿人类的感觉器官和 6 山东轻l ：业学院硕上学位论文 脑细胞的工作原理而工作的。它可以同时接受大量信息，对它们进行处理。 结果也是平行输出的一批信息。在系统中硬件是模仿神经细胞的网络，软 件则是模仿神经细胞的工作方式，即每个神经元接受信号按“乘权值后相 加”。输出信号按“闽值”大小确定。这样做的优点是可以快速地处理复杂的 事物，但是要求在处理某一事物之前对系统进行教学，以便使系统通过“学 习”求出“权值”和“阈值”。n n c 的工作方式目前主要有两大类，一类是离线 学习网络参数( 称为训练) ，控制时由网络回忆期望的控制信号；另一类是 在线更新网络参数( 为提高初始鲁棒性，常将n n c 与常规反馈控制器复 合) ，学习的最终目标是使反馈控制器不起作用。前者适合于重复控制( 如 焊接机器人的轨迹控制和化工工艺控制等) ，后者适用于工作过程中给定和 参数经常变化的对象的控带 j 2 3 1 1 2 4 。 综上所述，各种控制策略都有自己的优缺点。将不同的控制策略相结 合，扬长避短，是当前研究的方向。针对本系统的特点，选择在传统p i d 控制的基础上，将智能控制引入其中，采用两者结合的智能p i d 控制策略。 这样既可以发挥智能控制的在线学习能力和解决非线性问题方面的特长， 又能够充分利用p i d 控制的有效性。 1 4 本文主要研究工作 本文采用与济南华能气动元器件公司联合研究制作的气液增力缸，对 由该缸组成的气液增力驱动系统的位置控制进行实验和研究。本文主要完 成的工作有： 设计制作了气液增力缸及其实验装置，并选择购买了实验所用的仪器 设备；根据气液增力缸的结构特点及其运动特性，建立了气液增力位置控 制系统的数学模型，并根据实际需要对模型进行了线性化，得出了系统估 算模型；分析比较了位置控制策略，对控制器进行了设计；对控制系统进 行了实验研究和分析。 第_ 章气液增力位置控制系统的设计及系统建模研究 第二章气液增力位置控制系统的设计及系统建模研究 2 1 气液增力位置控制系统的设计 2 1 1 气液增力缸的结构及主要参数 气液增力缸的结构分为并联式和串联式。串联式的增压缸和工作缸串 联连接，具有结构简单、制造和安装方便等特点。并联式又称为紧凑式， 其增压缸和工作缸并联连接，可以满足较大的力行程的要求，另外还可节 省安装空间。 气液增力缸的设计应符合气液联合传动的要求，既要克服气压传动平 稳性差、抗前冲能力弱、在任意位置定位准确性差等缺点，又要吸收液压 传动速度一负载特性好、抗前冲、在任意位置定位准确等优点；工作时还 可以快速到位，具有高频次动作能力又无冲击；既能实现所谓的冲压软到 位，又能以低能耗实现大的冲压力，冲压加工中的主要参数( 冲压力、行 程、冲压速度) 还可以简便地进行无级调节。 本文设计的气液增力缸采用串联式结构，能使气液很好的隔离，并将 增力部分、工作部分和储油部分集为一体。它主要由增力活塞、预压活塞、 工作活塞、缸体及其有关辅件组成，如图2 1 所示，其中增力和预压活塞 完成气液增力和油液的补充及回流：工作活塞在高压作用下连接执行器驱 动负载运动。 1 23 4 l 、：i _ = 作活塞2 、预压活塞3 、增力活塞杆4 、增力活塞 5 、增力缸筒6 、1 二作缸筒7 、_ 作活塞杆 图2 1 气液增力缸结构剖面图 该增力缸的工作缸筒长为2 4 6 m m ，工作活塞的厚度为1 6 m m ，总行程 可达到2 3 0 r a m ；增力活塞直径为1 2 5 m m ，增力活塞杆的直径为3 2 m m ，其 增压比为1 5 2 6 。 l 】东轻i 业学院硕士学位论文 2 1 2 工作原理 所设计的智能型气液增力缸不需要单独的液压能源，工作时只需要气 压作动力，因此它是一种纯气动的动力执行元件。气液增力缸的个工作 循环可分为快进行程、力行程和返回行程。可通过一个非电控控制回路来 说明这三个行程段，如图2 2 所示。 ( 1 ) 快进行程：当气液增力缸开始工作时，压缩空气进入快进缸的a 腔，工作活塞1 在压缩空气的作用下，驱动工作活塞杆快速而小力地接触 工件。 ( 2 ) 力行程：在总行程范围内的任一位置，工作活塞杆一旦接触工件 时，由于工作活塞受到接触反力的作用，腔气压升高。当a 腔气压升高到 某一给定值时，打开气液增力缸上的控制阀，压缩空气便进入d 腔，推动增 力活塞前进，将储油腔和工作油腔隔离封闭，工作油腔压力升高从而使工 作活塞1 产生增力。 ( 3 ) 返回行程：力行程结束后，快进缸的b 腔进气，口腔和d 腔排气， 工作活塞和增力活塞回程，为下一个工作循环做准备。 图2 2气液增力缸非电控控制回路简图 2 2 气液增力位置控制系统实验装置的建立 由于气液增力缸是纯气动元件，所以建立的智能型气液增力驱动系统 采用的全是气动元件。为了提高控制精度和简化结构，根据现有设备和条 件，采用比例伺服控制。实验系统主要由气液增力缸、电气换向阀、电气 比例调压阀、位移传感器、气动三联件( 分水滤气器、油雾器、减压阀) 、 工控机、多功能卡、宁气压缩机和消声器等组成。下面对各元器件进行简 要介绍。 工控机： 丰机型号：研华i p c 6 1 0 l 9 第二章气液增力位置控制系统的设计及系统建模研究 配置：p 43 0 gc p u ，5 1 2 m 内存，4 0 g 硬盘 特点：用户界面友好，带前置过滤网易于维护 支持2 5 0 w a t xp f cp s 2 电源 能抗冲击、震荡，并且能在高温下稳定工作 多功能卡： 型号：研华p c i l 7 1 0 特点：1 2 位分辨率，l o o k s 采样速率 1 6 路开关量输入输出，一路热电偶输入 1 6 路单端或8 路差分模拟量输入，或组合输入 单极双极输入范围 用于模拟量输入的4 k 采样f i f o 电磁换向阀： 型号：s m cv f 5 2 2 0 电磁线圈：双线圈 标准电压：直流2 4 v 操作压力范围：0 1 - - 0 9 m p a 最高操作频率：5 次秒 比例减压阀： 型号：s m cv y l 3 0 1 - 0 3 反应时间：3 0 m s 环境温度：o 5 0 最高使用压力：0 8 8 m p a 调节压力范围：供应压力0 8 8 m p a 输入信号：1 5 v ，l m w 或以下 电源：2 4 v d c 1 0 ，1 8 w 或以下 空气消耗量：不操作时为0 ，操作时最大1 5 l s 位移传感器： 型号：。h i w i nm p l 2 精度：( 8 0 + 1 5 l ) t t m ，l 是尺身长度 解析度：1 0 9 i n 输入电压：2 4 v d c 输出信号格式：n p n 开集极3 0 v d c 4 0 m a ，a 、b 相位差9 0 。 最大输出频率：3 2 k h z 气动三联件为s m c 的a l 4 0 0 0 0 3 型，空压机采用德国f e s t oj u n a i r 。 本文研究的控制系统方框图如图2 3 所示。 1 0 山糸轻工业学院硕十学位论文 输入信号 户 图2 ，3 位置控制系统方框图 其控制原理是通过计算机控制软件、比例阀、气液增力缸的调节作用， 使输入位移信号y 与增力缸位移反馈信号y7 之差厶，减小并趋于零，从而 实现气缸位移对输入信号的跟踪。具体的调节过程是：通过计算机程序， 求得给定的位移信号y 与反馈位移信号_ y7 的偏差，再经过控制器求得比 例减压阀的控制电压，以此来控制比例阀开口大小，当y 为零时，系统 处在一种平衡状态。当y ，0 时，电磁换向阀的右路接通，推动工作活塞 左移；当z i y c 只 ( 2 1 3 ) p c 只 墨 c 只 ( 2 1 4 ) 墨c p 其中，c 产o 5 2 8 为临晃压力比。 气体通过阀口的流动分为两种情况，以口腔为例： ( 1 ) 当气体的流速小于当地音速，即马赫数m c ，气体的流动受阀u 背压 1s 只的影响。 ( 2 ) 当气体的流速大于或等于当地音速，即马赫数m l 时，气体流 动处于临界状态。这时阀口两端的压力满足勺名c ，气体的流动状况不 s 再受阀口背压只的影响。 s a n v i l l e 流量公式就是根据这两种情况得出的分段函数0 2 引。 第二章气液增力位置控制系统的设计及系统建模研究 2 3 2 传递函数的推导及简化 从以上动态特性方程可看出，气液增力伺服系统是复杂的非线性系统。 对于此类系统，虽然线性化不能准确地给出实际系统模型，但它为对系统 动态特性的定性分析提供了一种有效手段。 下面根据线性化理论对气液增力系统在力行程中稳定工作村附近作 线性化处理，本文考虑的是位置控制系统，控制量为比例减压阀的电压。 将气液增力缸a 、6 两腔的压力微分方程式( 2 7 ) 、工作活塞力平衡方程式 ( 2 8 ) 以及比例阀的压力一流量方程式( 2 - 1 3 ) 、( 2 - 1 4 ) 在任意工作蔚 处线性化，并进行拉氏变换后可得： ；争r t m ，一s 警y 卟善删一挚y 心1 5 磁。= k 删u k c 。p ， 如b = k q 一一x 枷 ( 2 1 6 ) s 2 m y + s b l y = 弓以一b 4 一f ( 2 - 1 7 ) 其中，流量增益名，流量一压力系数疋= 警，f 为库伦摩擦力、 弹性负载、外力负载及油腔压力的综合。 综合以上各式可推导出系统的传递函数： k r t k 彳。( s + k r t k 由) u 0 ) 一k r t kq b j a 6 ( s + k r t k 。) u ( j ) ，、一f ( s + k r t k q ) ( s + k r t k d , y ) 儿印。疵巧可瓦巧面i 巧谫赢了五瓦矿 一 m 。l y b l s 4 十t m m 拣t k 由+ ml v 畸k r i k 。田+ b l v 畸、5 二 七( ml k 2 r 。t k j kc 十b 乙v 目k r t k 。q + b j q k r t kq + 彳：+ 鬈) j2 + ( 女2 易a ：r t k 嘶+ 以2 丘。 + b l 。k2 r z t 2 k k 1 s ( 2 1 8 ) 由上式可见，系统的传递函数是一个复杂的四阶模型，在不同的工作 点和工作状态，传递函数的系数不同。系统参数与平衡点位置、气源压力、 负载等因素有关。 为了工程控制需要，选择有代表性的中间平衡位置为微小位移的中心 点，不考虑综合力f 对它的影响，并假设y = y o = 1 2 ，k q ：k q 6 = k q o ， 山东轻丁业学院硕士学位论文 k c 。= k c 6 = k c 口，对传递函数简化可得： ，、k r t k q o u ( s ) ( 4 。+ a ) v ij j = ? ：_ 一_ m l s 3 + ( k r t m l k 。o + b l v o ) s 2 + k ( 8 r t k 。+ 只爿；+ e b a j ) ：茎! 篮竺堕 f 2 1 9 1 s ( s 2 + 2 善国。s + 珊：) 由此可得系统的开环传递函数为： g ( s ) ：丛堕：墨竺l 。一 ( 2 2 0 ) u ( s )s ( s2 + 2 和。s + m ：) 数。 式中， ( 2 - 2 1 ) r 2 2 2 ) k 。= 币br t 等k 半e o a 若鲁a 倍z s ， l：q +b 。+ p b4 。 、。 其中，“。为系统的固有频率，f 为等效阻尼系数，凰为速度增益系 利用该线性模型和估算来建立系统工作活塞中位时的数学模型。 气液增力缸q - 作活塞的结构参数如下：l = 0 2 4 6 m ，a = i 2 3 1 0 之m 2 ， k = 1 4 ，工作活塞及惯性负载质量m l = 2 0 0 k g ；气源压力p ，= o 6m p 。，l k n 伺服阀的稳态输出压力一般是供气压力的4 0 7 0 2 9 l ，取p = 7 0 p 。 = o 4 2 m p 。；所使用比例换向阀的最大流量g 为1 5 l s ，控制电压为5 v 。 气液缸5 1 2 作活塞在中位时，p 。= n = p ，圪= v b = v o ，在不考虑粘性摩擦 既的情况下，可得自然频率：= j 筹z 2 4 。 对于比例阀的流量增益系数凰可由下式求得： x ，：型墨。， ( ；_ p + 1 ) u 第_ 章气液增力位置控制系统的设计及系统建模研究 2 4 本章小节 = 孑丽5 7 6 ( 2 2 4 ) 介绍了所设计的智能型气液增力缸的结构，分析了气液增力缸非电控 系统的工作原理：介绍了位置控制系统的实验装置；根据系统特点和现有 设备，对采用比傍j 阀控制的气液增力系统进行了数学建模，推导出了系统 的传递函数，并根据线性化理论推算出了系统开环传递函数的估算模型， 为下面的仿真工作奠定了基础。 山东轻工业学院硕士学位论文 第三章控制策略的研究及控制器的设计 要实现良好的控制效果，必须设计一个性能优良的控制器。在绪论中， 已经介绍了流体控制领域常用的控制策略，并分析了它们各自的优缺点。 虽然目前在模糊控制和神经网络控制方面的研究成果很多1 3 0 1 - 3 5 ，但可靠 实用、成熟的仍然是线性控制理论：有的研究者虽然最终是以模糊逻辑技 术进行控制的，但前期也是通过p i d 方法对系统进行了解，首先获取系统 的知识，再制定模糊控制规则 3 ”。针对本系统的特点，选择在传统p i d 控 制的基础上，将模糊控制引入其中，采用两者结合的模糊p i d 控制策略。 这样既可以发挥模糊控制的在线学习能力和解决非线性问题方面的特长， 又能够充分利用p i d 控制的有效性。 3 1p i d 控制概述及其算法选择 3 1 1p i d 控制原理 常规模拟p i d 控制系统由模拟p i d 控制器和被控对象组成。系统原弹 如图3 1 所示。 图3 1 模拟p i d 控制原理图 p i d 控制器是一种线性控制器，它根据给定值，( f ) 与实际输出值y ( t ) 构 成控制偏差e ( r ) = r ( t ) 一y ( f ) ，将偏差的比例( p ) 、积分( ，) 和微分( d ) 通过 线性组合构成控制量，对被控对象进行控制，故称p i d 控制器，其控制规 律为： 硼) = k p 【p ( 卅f 1 研+ 半 ( 3 - 1 ) 其中，“( f ) 为f 时刻的控制量，足。为比例系数，乃为积分时间常数， 为微分时间常数。简单说来，p i d 控制各校正环节的作用如下： ( 1 ) 比例环节及时成比例地反映控制系统的偏差信号p 例，偏差一旦 产牛，控制器立即产生控制作用，以减少偏差。 第二三章控制策略的研究及拧制器的设计 ( 2 ) 积分环节主要用于消除静差，提高系统的无差度。积分作用的强 弱取决于积分时间参数乃，乃越大，积分作用越弱，反之则越强。 ( 3 ) 微分环节反映偏差信号的变化趋势，并能在偏差信号值变得太大 之前，在系统中引入一个有效的早期修正信号，从而加快系统的动作速度， 减小调节时间。 3 1 2 数字p i d 控制器 在计算机控制系统中，使用的是数字p i d 控制器，数字p i d 控制算法 通常又分为位置式p i d 控制算法和增量式p i d 控制算法。 1 位置式p i d 控制算法 对( 3 - 1 ) 式中的积分和微分项进行离散化处理，即可得到位置式p i d 控制算式： “( _ ) = 砗m _ j ) + ；圭) + 堕堕掣 ( 3 2 ) i = 0 4 或 甜( 七) = k ，p ( 七) + k ，4 0 + x “e ( | j ) 一口( 七一1 ) 】 ( 3 3 ) 式中，r 为采样周期，k 为采样序号，局和k d 分别为积分系数和微分 系数。 2 增量式p i d 控制算法 由于位置式控制算法要累加偏差p ( f ) ，不仅要占用较多的存储单元， 而且不便于编写程序，并且当计算机出现故障时u ( k ) 的大幅度变化会引起 执行机构位置的大幅度变化，造成牛产事故，因而产生了如下的增量式p i d 控制算法 j “( 七) = k ，a e ( k ) + k ，p ( | i ) + 如 血( 七) 一曲( 七一1 ) 3 ( 3 - 4 ) i “( i ) = u ( k 一1 ) + “( 后) 式中，a e ( k ) = e ( 七) 一e ( k 一1 ) 3 1 3 系统p i d 控制算法的选择 在控制系统中，如果执行机构采用调节阀，则控制量对应阀门的开度， 表征了执行机构的位置，此时控制器应采用数字位置式p i d 控制算法；如 果执行机构采用步进电机，每个采样周期，控制器输出的控制量，是相对 于上次控制量的增加，此时控制器应采用数字增量式p i d 控制算法p ”。 根据本系统的特点，在控制器中选用数字位置式p i d 控制算法。 东轻工业学院硕上学位沦文 3 2 模糊控制 模糊逻辑在控制领域中的应用称为模糊控制。它是以模糊集合论、模 糊语言及模糊逻辑推理为基础的计算机智能控制。模糊控制的最大特征是， 它能将操作者或专家的控制经验和知识表示成语言变量描述的控制规则， 然后用这些规则去控制系统。因此，模糊控制特别适用于数学模型未知的、 复杂的非线性系统的控制。从信息的观点看，模糊控制是一类规则型的专 家系统。从控制技术的观点看，它是一类非线性控制器。近二十多年来， 模糊控制一直是自动控制的一个热点，国内外专家学者对其进行了深入的 研究，取得了丰硕的成果，模糊控制技术已经渗透到经济社会和科学技术 的各个领域。在二十一世纪，模糊控制技术还将得到更加广泛的应用p 8 】。 3 2 1 模糊控制的基本原理 模糊控制基本原理如图3 2 所示。 模糊控制器 r 一一一一一一一 图3 ，2 模糊控制基本原理图 图中 为系统设定值，y 为系统输出值，它们都是清晰量。从图中可 以看到，它和传统的控制系统结构没有多大区别，只是用模糊控制器替代 了传统的数字控制器。 模糊控制器的输入量是系统的偏差量e ，在计算机控制系统中它是数 字量，是有确定数值的清晰量。通过模糊化处理，用模糊语言变量e 来描 述偏差，若以t ( e ) i d 为的语言值集合，则有 “e ) 一 负大，负中，负小，零，正小，正中，正大 如用符号表示负大n b ( n e g a t i v eb i g ) ，负中n m ( n e g a t i v em e d i u m ) ， 负小n s ( n e g a t i v es m a l l ) ，零z e ( z e r o ) ，正小p s ( p o s i t i v es m a l l ) ，正 中删( p o s i t i v em e d i u m ) ，正大p 日( p o s i t i v eb i g ) ，则 h d 2 8 ，n m ，n s ，z e ，p s ，p m ，p b 语言规则模块是一个规, r j j 车。设e 是输入，控制u 为输出，规则形 第三章控制策略的研究及控制器的设计 式为 规则l ：伊e ，t h e nu ，e l s e 规则2 ：伊e 2t h e nu 2 ，e l s e 规则n i fe nt h e nu 每条规则可以建立一个模糊关系见，所以系统总的模糊关系胄为 r = r i u r 2 u r h 若已知系统的输入p d 对应模糊变量e + ，应用关系合成推理法( c r i ) 可得到模糊输出变量矿： 矿= e + 。胄 模糊推