（机械制造及其自动化专业论文）叠加颤振信号的气动比例位置控制系统的研究.pdf

【ji 尔大学硕士学位论文 摘要 本文针对由比例阀和无杆气缸组成的气动比例位置系统中存在的比例阀 弛区和静态摩擦力以及气缸的摩擦力这几个问题，通过叠加颤振信号的方法对 比例阀和气缸的摩擦力进行补偿；使用神经网络自学习的方法，通过在线调整 神经网络权值的方法确定补偿信号的修正量对比例阀死区进行补偿；最后将两 种方法进行综合，仿真结果证明了所建模型的正确性和这两种方法的可行性。 在仿真研究的基础上，本文还将这两种方法应用于气动比例位置系统的控 制中，通过实验发现，补偿后系统的性能得到明显的改善，定位精度可达到 0 ，1 5 m m ，缓冲时间缩短，进步证明了该方法的可行性和有效性。 神经网络在线自学习能力，弥补了传统的p i d 控制在外界条件变化时， 参数不能在线调整的缺陷，使控制参数的修正更准确，进一步提高了定位精度， 并能满足实时控制的要求。在控制信号变化的方向上叠加颤振信号，克服了比 例阀和气缸的静态摩擦力。将两种方法综合后应用于该实验系统，以抛物线为 缓冲曲线时，缩短了系统的缓冲时间，缓冲曲线平滑而且没有振动和回冲，并 进一步提高了系统的定位精度。由此可见，该方法具有较高的工程应用价值。 关键词气动比例位置系统；p i d ；中位死区；摩擦力：颤振信号；神经网络， 自学习 l i i 东大学项土学位论文 ! i i u i ! ! ! ! 兰g 曼! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! 蔓 a b s t r a c t t od e a lw i t ht h em a t t e r se x i s ti nt h et h e p n e u m a t i cp o s i t i o n i n gs y s t e m c o m p o s e d o ft h er o d l e s sc y l i n d e ra n dt h ep r o p o r t i o n a lv a l v e ，t h em e t h o do f a d d i n g v i b r a t i n gs i g n a lt ot h eo r i g i n a l c o n t r o l s i g n a l w a su s e dt oo v e r c o m et h es t a t i c f r i c t i o no ft h er o d l e s s c y l i n d e r a n dt h e p r o p o r t i o n a lv a l v e ，n e u r a l n e t w o r k s s e l f - s t u d y m e t h o dw a su s e dt o a d j u s tt h ea m e n d i n gv a l u eo ft h ec o m p e n s a t i o n s i g n a lt h r o u g hs t u d yt h en e u r a ln e tf u n c t i o nv a l u et oo v e r c o m et h ed e a d b a n do f t h ep r o p o r t i o n a lv a l v e t h et w om e t h o d sw e r es y n t h e s i z e da n du s e di nt h es y s t e m t h es i m u l a t i o nr e s u l t ss h o wt h a tt h em o d e lb u i l ti sc o r r e c ta n dt h ef e a s i b l eo ft h e t w om e t h o d s o nt h eb a s i so f t h es i m u l a t i o ns t u d y ，t h et w om e t h o d sw a su s e dt ot h ec o n t r o l o ft h ep n e u m a t i c p r o p o r t i o n a lp o s i t i o nc o n t r o ls y s t e mt h o u g h t h ee x p e r i m e n t ，w e c a nf i n dt h a tt h e c a p a b i l i t y o ft h e s y s t e m w a s i m p r o v e do b v i o u s l y t h e o r i e n t a t i o n a lp r e c i s i o no ft h es y s t e mc a nr e a c hi015 m m ，c o n f i r mt h ef e a s i b i l i t y a n dv a l i d i t yo f t w om e t h o d s f u r t h e r t y w i t ht h ec o n v e n t i o n a lp i d c o n t r o l l e r ，t h eo n l i n er e g u l a t i o no ft h ep a r a m e t e r s c a n tb e i m p l e m e n t e dw h e nt h ew o r k i n gc o n d i t i o nc h a n g e sa n dt h en e u r a l n e t w o r k so n l i n e l e a r n i n ga b i l i t yc a nm a k eu pt h i sd e f e c t t h r o u g ht h en e u r a l n e t w o r k so n l i n e l e a r n i n g ，a d j u s t e d t h e c o m p e n s a t i o np a r a m e t e r , m a k et h e a m e n d i n go f t h ec o n t r o lp a r a m e t e rm o r e p r e c i s e l y ，t h eo r i e n t a t i o n a lp r e c i s i o nw a s i n c r e a s e da n dc a nm e e tt h en e e do ft h er e a l t i m e c o n t r o l a d d i n gv i b r a t i o n g s i g n a l si nt h ed i r e c t i o no f t h ev a r i a t i o no f t h ec o n t r o ls i g n a l ，o v e r c o m et h ef r i c t i o n o f t h e p r o p o r t i o n a lv a l v ea n d t h ec y l i n d e rw h e nt h et w om e t h o d s w e r eu s e di nt h e s y s t e m ，u s i n gp a r a b o l aa sc u s h i o n i n gc u r v e ，t h et i m eu s e di nt h eb u f f e ra r e ai s s h o r t e n ，t h ec u s h i o nc u r v ei se v e ua n dt h e r ei sn ov i b r a t i o na n dr e t u r nb a c kt h e p o s i t i o n a lp r e c i s i o no ft h ep i s t o nc a nb ei m p r o v e ds ot h em e t h o dh a s h i g h e n g i n e e r i n gv a l u e s k e y w o r d sp n e u m a t i c p r o p o r t i o n a lp o s i t i o ns y s t e m ；p i d ；m i d d l e p o s i t i o n d e a d b a n d ；f r i c t i o n ；v i b r a t i n gs i g n a l s ；n e u r a ln e t w o r k ；s e l f - l e a r n i n g 原创性声明 本人声明：所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及 取得的研究成果。尽我所知。除了文中特别加以标注的地方外，论文中 不包括其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得山东大学 或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。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了谢意。 作者签名：盘盘釜日期：璺! ! 笙：兰：! 三 关于论文使用授权的说明 本人完全了解山东大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校 有权保留送交论文的复印件，允许论文被查阅和借阅；学校可以公布论 文的全部或部分内容，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 作者签名：邀垒笙 导师签名： 山东大学硕士学位论文 第l 章绪论 1 1 气动技术的特点、发展状况和最新发展方向 1 1 1 气动技术的特点 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，用气动控 制技术来实现生产过程自动化，是工业自动化的一种重要技术手段。 同其它传动技术，如液压传动、电气传动、机械传动相比，气动技术有以 下优点： ( 1 ) 气动工作介质是压缩空气，用量不受限制；未经润滑排出的压缩空气 是清洁的，不存在环境污染的问题； ( 2 ) 工作环境适应性好。压缩空气不受温度波动的影响，即使在极端温度 情况下亦能保证可靠地工作，特别是在易燃、易爆、多尘埃、振动、强磁辐射 等恶劣环境中，比液压、电气控制优越。 ( 3 ) 气动系统的各种工作部件结构简单，所以设备成本低。整个系统的组 装、维修等方便快捷。 ( 4 ) 压缩空气是迄今为止传递动力最快的介质之。，故可获得很高的工作 速度： ( 5 ) 气动所能产生的能量密度较小，大体相当于人的肌肉所能产生的能量 密度，可代替工业生产自动化流程中大量的人工劳动。这就是气动技术在工业 生产中得到广泛应用的原因所在。 气动技术的缺点： ( 1 ) 压缩空气需进行除尘、除水处理。 ( 2 ) 空气的可压缩性使系统效率低，且使气动系统的稳定性差，给位置和 速度精确控制带来很大的影响。 ( 3 ) 系统运行时排放空气的噪声较大。 ( 4 ) 气动信号的传递速度远比电信号低。 尽管如此，但由于气动所特有的优点，气动技术倍受工业界欢迎，其发展 呈现急剧上升的趋势。在工业自动化领域和一些特殊环境中，气动技术得到越 l “求大学硕士学位论文 柬越广泛的应用l “。目前，气动技术已成为工业自动化的重要手段。 1 1 2 国内外气动技术的发展状况 气动技术的发展历程，足从单个元件到控制系统，从单纯的机械系统到机电 一体化的复杂高科技产品的历程。 近年来，随着机械工作精度、响应速度和自动优程度的提高，对气动控制 技术提出了越来越高的要求，比如：与电予控制系统有十分方便的接口；速度、 力、位置控制的多级甚至无级可调控制等【”。2 0 世纪7 0 年代末至8 0 年代初逐 渐完善和普及的计算机控制技术和集成传感器技术为电子技术和气动技术的结 合奠定了基础。计算机控制在气动控制系统中的应用大大提高了控制精度和工 作可靠性，使得以往难以用模拟控制实现的复杂控制策略的实现成为可能p i 。 与此同时气动比例控制和伺服控制系统特别是定位系统也得到了越来越广泛 的应用。 新的气动控制系统与传统的工业场合中应用的气动控制系统相比具有明显 的不同之处，主要表现在1 4 j ：环境和任务复杂，普遍存在较大程度的参数变 化和外负载干扰：电气转换元件不同，采用了各种形式的数字阀和带电反馈 的比例阀、伺服阀；控制策略变为以近代控制方法、智能控制方法为主； 控制器由以模拟实现为主变为以数字控制实现为主，以硬件控制为主变为以软 件实现为主。 气动位鼍控制系统在工业自动化中有着广泛的用途，连续位置控制的实现 使自动化程度更迸一步。目前常用的气动位置控制系统大概有三种类型：比例， 伺服阀系统、p w m p c m 位置系统和锁定气缸系统p 1 。p w m ( p u l s ew i d t h m o d u l a t i o n - - 脉宽调制) 和p c m ( p u l s ec o d em o d u l a t i o n - - 脉码调制) 均属于流体 脉冲调制6 7 一i 。p w m p c m 位置系统价格便宜、抗污染能力强，但系统存在稳 态波纹，且系统噪声大、开关阀寿命短等缺点。 近年来气动技术的应用领域己从机械、冶金、采矿等工业扩展到轻工、食 品以及军事等工业部门。它在实现生产过程的自动控制、改善劳动条件、降低 成本、提高产品质量等方面发挥了很大的作用”1 。2 0 世纪9 0 年代末，气动技术 突破r 传统的死区，在与计算机、电气、传感、通讯等技术相结合的基础上产 山东大学硕士学位论文 生了智能一动这概念( 气动比例伺服系统、智能阀岛、模块化机械手) 总 之，气动技术与微电子技术紧密结合后，在计算机或微处理机的控制下，进一 步拓宽了它的应朋领域i i 。 以比例，伺服控制阀为核心的气动比例，伺服控制系统可实现压力、流量连续 变化的高精度控制，能够满足自动化设备的柔性生产要求。控制系统输出的控 制量，可以在设备的运行中根据设定量和当前量不断地调整，从而达到无级、 连续可控的目的。随着新型的气动比例伺服控制阀的开发和现代控制理论的应 用，比例伺服控制系统的控制性能得到了极大的提高。新型比例伺服控制阀是 气动技术与微电子技术、现代控制技术相结合的机电体化产物。气动比例伺 服控制系统越来越受到人们的重视，其应用领域正在不断的扩大1 9 】。 比例控制阀加上电子控制技术组成的比例控制系统，可满足各种各样的控 制要求。比例控制阀相当于在普通的压力阀、流量阀上装上能自动地连续控制 的比例电磁铁以代替原有的电磁控制部分，就可以根据输入控制信号，连续按 比例地输出压力或流量进行控制，可见，比例阀在控制系统中起着电气接口作 用。新型比例阀的出现使阀的工作性能得到了很大的提高，并且推动了气动比 例控制技术的发展i ”l 。近年来，气动比例控制系统的应用日益广泛，但目前我 国气动比例控制系统仍处在引进、消化和吸收阶段，所以对气动比例控制系统 进行研究对于提高我国工业装备的自动化程度，实现控制系统国产化有着重要 的工程应用价值。 1 1 3 气动技术的发展趋势 随着工业自动化的不断发展，工业现场不断给气动技术提出新的课题和新的 应用场合。气动技术与电子技术、传感器技术、计算机技术、现代控制理论的 结合更加深入广泛，无论在近期和未来，气动技术都会有创新的发展。气动技 术在工业自动化的进程中起着不可替代的作用。机电气一体化，气动元件及系 统的模块化、集成化、智能化、高速化以及气动系统的整套供应更是当前气动 发展的新动向。 ( 1 ) 模块化和集成化 气动的最大优点之一是单独元件的组合能力：无论是各种不同大小的控制 山东大学硕士学位论文 器，或是不同功率的功能控制元件，在定应用条件下，都具有或多或少的随 意组合性。模块化设计使单个模块在不同的应用场合能随意组合。 集成化应充分兼顾模块化、即在设计时必须考虑集成模块或单元的兼容性。 现在集成化元件是为某些特殊任务或用户专门制造的。集成化进。步发展的重 点目标足“应用”，而不是“用户”。 ( 2 ) 智能气动 智能气动是指具有集成微处理器，并具有处理指令和程序控制功能的元件 或单元。最典型的智能气动是内置可编程控制器( p l c ) 的阀岛。阀岛可用常 规的电子方式或总线方式控制。总线技术已经引起气动技术的巨大革新，这方 面的发展仅仅刚开始。如果微处理器成功地集成于单个元件，如气缸( 驱动) 、 或阌( 挖制) ，那么气动的小型化、模块化、集成化和智能化就能得到相应改进。 现在已经实现把装有特殊软件的高性能微处理器集成到控制阀的电磁头中，并 与执行机构的气动控制组合起来。 1 2 气动缓冲的必要性和发展现状 1 2 1 气动缓冲的必要性 目前气缸是使用量最多的气动执行元件之一，约占整个产值的1 3 。由于气 体固有的压缩性、高柔度、负载惯性、摩擦力等原因，导致气动系统刚度低、 定位精度差，当气缸驱动较重的工作部件高速运行在行程终点易产生很大的 冲击、振荡、噪声，不仅关系到工作环境和气动元件的工作性能，而且给气动 系统的控制和系统寿命等带来很大的影响。所以随着气动系统向高速化发展， 气缸高速运行端位停止时的缓冲问题也越来越引起人们的重视。 另一方面，用于机械手和机器人的气缸，在提高运动速度以提高生产率和 减少定位时的压力j 中击以提高定位精度之间总是存在着矛盾 1 1 , 1 2 】。但在实际生 产中这两个因素是同样重要的：提高运动速度，可以减小定位时问，提高工作 效率；降低定位时的压力冲击则可以减小噪音，提高定位精度。为了解决这。 矛盾，人们研究了活塞在气缸两端极限位置时的缓冲特性，采用改进结构的方 法来获得好的缓冲性能，以提高定位精度。 l l 东大学硕士学位论文 1 2 2 气动缓冲的发展方向 常见的缓冲装置方式分为两类1 ”i ：类是在缸的外部安装缓冲装置；另 类是在缸的内部安装缓冲装置，即元件缓冲。外部缓冲装置包括在机构上加弹 簧、缓冲垫、外部缓冲器或气液阻尼缸，外部缓冲器又包括弹簧缓冲器、气压 缓冲器和液压缓冲器等形式。采用这种方法调节方便但参数调定后不能随工况 改变，缓冲能力是有限的。内部缓冲通常是在活塞的侧或两侧增加缓冲柱塞， 缓冲柱塞与气缸端部的缓冲腔构成基本缓冲部分。缓冲柱塞常设计成抛物线形 状，从而获得匀减速运动规律。但该方法只限r 缸的两端，不能实现任意点定 位时的缓冲。尤其对于要求全行程任意点定位的系统，这种方法已不适应。 现在缓冲技术又有了新的突破，利用控制器或计算机软件控制气缸活塞按 照特定的缓冲曲线运动。可以方便地实现缓冲。对于活塞在气缸全行程内任意 点缓冲定位的控制，文献【1 3 】指出，理想的缓冲定位过程的位移时间函数应是一 个抛物线函数，才能在允许的压力冲击条件下实现最小缓冲行程。 采用合适的控制方法，用控制器或软件来驱动气动比例位置系统可以实现 活塞在气缸全行程任意位置上的定位，不仅能够改善缓冲性能，而且还可以提 高定位精度，从而使气动比例位置系统得到更为广泛的应用。 1 3 课题的提出和本论文的主要工作 1 3 1 课题的背景及研究意义 各类机器人和机械手是实现自动化的有效工具，从1 9 6 0 年第- 一台机器人在 美国问世至今已有4 0 多年了，目前机器人无论在数量上还是在智能i 二都有了很 大的发展。在应用方面己从传统的应用领域向外扩展，航空、航天工业，电了 工业和汽车工业将成为机器人的主要应用部门，并正在推向生活服务和军事工 程等更广阔的领域。由于机器人或机械手都需要快速、准确地搬运重物，因而 对机器人提出了一些基本要求，即它们必须具有高精度，能快速反应，具备一 定的承载能力t 足够的工作空间和灵活的自由度以及在任意位嚣都能精确定位。 由r 气动伺服系统对污染敏感，伺服阀成本高、结构复杂，难以被更广泛 的工业应用所接受【1 4 l 。从2 0 世纪8 0 年代开始，口本、德国等相继对电磁比例 气动阀进行研究，并成功地把它应用于工业自动化机械、机械手和生产流水线 j 朱大学硕士学位论文 中1 1 5 l 。由于比例阀具有结构相对简单、价格适中、抗污染能力强、工作可靠、 使用维护方便等优点，所以气动比铡系统的应用口益广泛。 而对r些精度要求较高的小型什，日前的系统仍难以满足实际需要。，随 着i 业自动化技术的发展，传统气动系统只能在两个机械调定位置可靠定位以 及其运动速度只能靠单向节流阀单一调定的状态经常无法满足许多设备的自动 控制的要求。而气动比例位置系统可非常方便地实现多点无级定位和无级调速， 因而比例位置系统得到越来越广泛的应用m 】。能够实现无级调速且任意位置精 确定位的气动位置控制系统是各类机器人执行件的核心部件，其重复定位精度 直接影响精密机械的工作性能。此外，它还能广泛用r 工业自动化领域，在提 高自动化设备的精度并最终提高产品的质量方面起着关键作用。因此对气动比 例位置系统进行辨识及控制研究，实现其在任意位置上的定位并进一步提高其 定位精度是当前研究的重要课题，具有重要的现实意义和实用价值。 1 3 2 课题的提出 随着现代工业控制系统向着高速、高频、高效率发展，气缸高速运行任意 点定位的缓冲问题也越来越引起人们的重视。本课题用微机控制比例系统实现 气缸全行程任意点的缓冲定位。易于往生产实际转化，有着较高的实用价值。 近十年来，人们已经认识到在气动比例位鼹控制系统中，造成过程控制可 变性的主要原因是控制阀以及执行元件的非线性。一加拿大的造纸厂的检查结 果表明，所有控制系统中约有3 0 是由于控制阀和执行元件的非线性造成控制 过程的变化见文献 1 7 】。一些其他资料的研究结果也获得大致相同的数据，见 文献 1 8 】。 1 3 3 本论文的主要研究工作 本论文主要是对德国f e s t o 公司引进的气动比例位置系统中存在的比例阀 的中位死区和静态摩擦力以及气缸的摩擦力进行补偿。 本文利用神经网络的自学习功能，通过神经网络权值的自身调整，在线调 整控制信号的补偿值，补偿气动比例阀的死区。然后通过在控制信号变化率的 方向一k 叠加低幅高频脉冲信号来补偿气动比例阀和气缸的摩擦力。最后，将两 种方法结合起来。 1 ，东大学硕士学位论文 1 4 论文的主要内容 本课题所做的主要f ：作概括如f ： ( 1 ) 通过对计算机控制的气动比例位置控制系统进行特性分析，研究了系 统缓冲实验中比例阀阀口死区、系统摩擦力对系统性能的影响，并提出了补偿 措施，确定了死区和摩擦力补偿的基本参数。 ( 2 ) 完成对神经网络控制器和辨识器的设计、用于自学习的神经网络的设 计。仿真和实验都证明r 所设计的控制器和辨识器以及神经网络的正确性。 ( 3 ) 根据本课鹿实验系统建立的数学模型，分别对比例阀死区补偿和系统 摩擦力的补偿进行了仿真，最后将两种方法进行结合，并进行综合仿真。将 偿后与补偿前的仿真结果进行了分析和比较。 ( 4 ) 通过对本课题实验系统进行不同工作情况下的实验，研究了系统的缓 冲与定位性能，并与未补偿前的缓冲与定位效果进行了分析和比较，得出结论。 l l l 东大学硕士学位论文 第2 章气动比例位置系统的特性分析 2 1 气动比例系统控制策略研究平台 2 1 1 系统构成 该研究平台出气动比例系统实验台、控制系统硬件平台和控制策略研究软 件平台三大部分组成。图2 1 为该研究平台结构关系示意图，其中气动比例系 统实验台是该平台的主体，控制系统硬件平台用丁将控制信号转换为驱动信号， 以及将传感器信号经过信号处理电路送入计算机；控制策略软件平台用于上层 控制策略研究，它是一个功能强大的用于实时控制的软件环境。 图2 - 1 气动比例系统控制策略研究平台结构示意图 2 1 2 气动比例系统实验台 分水滤气器减压阔油雾器 图2 2 实验系统组成示意图 本实验系统由气缸、比例阀、位移传感器和a d 、d a 转换装置以及气源 ( 空气压缩机) 、气动三联件( 分水滤气器、减压阀、油雾器) 、消声器等组成， f f i 尔大学硕士学位论文 如图2 2 所示。 本实验系统所用元器件除a d 、d a 转换装置，空气压缩机以及汁算机外， 其余部分都是f 1 德国f e s t o 公司生产的。其中气缸采用的足 d g p l 一2 5 4 0 0 p p v - a g f b 型无杆气缸，相应的位移传感器为 m l o p o t - 4 0 0 一t l f 型，比例阀采用m p y e 一5 1 8 0 1 0 b 型比例方向控制阀，a d 、 d a 转换由h y - - 6 0 7 0 通用数据采集控制板完成。在f e s t o 公司提供的实验系 统中还包括一个s p c 2 0 0 控制器，但由于控制器价格昂贵不具有可移植性， 本研究尝试用计算机软件来替代控制器实现定位，降低成本，系统各组成部件 的参数如表2 1 所示： 表2 1 系统各组成部件主要参数 序数 口 名称型号结构特点主要指标 丐量 缸径：2 5 r a m 活塞式气缸，活 无杆d g p l 2 5 4 0 0 - p p v - a行程；4 0 0 r a m li 塞滑块机械组 气缸g f b额定工作压力：0 6 m p a 合，抗扭转 最大许用工作压力：o 8 m p a 公称通径：6 r a m 额定压力最人流量：7 0 0 l r a i n 额定工作压力：o6 m p a 最大工作压力：i m p a 比例直动式滑阀，内 额定工作电压：2 4 v d c 2m p y e 5 1 8 0 1 0 bl 控制电压：0 1 0 v d c 方向阀带阀芯位移控制 中位电压：5 v d c 中位帆能；“o ”型 响应时闷：42 m s 最大响应频率：1 2 0 h z 介质温度：5 4 0 c 一 1 i i 来大学硕士学位沦文 ( 续表) 序数 口 名称型号 e 结构特点主要指标 可 测最长度：o 4 0 0 m m 上作电压：1 45 2 6 5 v 位移电位计式输出电压：0 1 0 v 3m l o p o t - 4 0 0 - t l fl 传感器位移传感器测量精度：o0 2 5 r a m 磁滞：00 9 m m _ 作电流：3 0 m a 质量 42f i = 4 3 n ，f 2 ；1 0 0 n 负载 数据 5采集h y 一6 0 7 0i 控制板 2 1 3 控制系统硬件平台 将气动回路按图2 2 连接好，然后设置h y 一6 0 7 0 通用数据采集控制板。 h y - - 6 0 7 0 板是i b m - - p c x t a t 总线兼容通用数据采集控制板。它可以直 接插入i b m - - p c x t a t 总线兼容计算机内的任。总线扩展槽构成模拟量电压 信号，数字量电压信号采集、监视输入系统以及模拟量电压信号、数字量电压 信号输出系统。 该板提供了单端1 6 路数据采集输入通道。通过硬件设置，模拟电压信号输 入范围可以是1 0 v 、+ 5 v 、2 5 v 、o 5 v 、o 1 0 v 。典型的精度优于o0 3 ， 分辨率1 2 b i t ，a d 转换时间为2 5 s 。由于本实验所用位移传感器的输出电压 为o 1 0 v ，故将a d 板的输入电压范围设置为0 1 0 v 。该板还提供了路1 2 b i t d a 转换模拟电压输出通道。模拟输出电压范围可以是4 - 5 v 、2 5 v 、o 5 v 、 o i o v 。由r 实验中所用比例阀的控制电压范围为0 i o v ，所以将d a 板的 输出电压范围设置为o i o v 。模拟电压输入输出信号通过4 0 线扁平电缆插座 j 2 与a d 、d a 电路相连。该板上的8 b i t 数字量输入输出通道通过4 0 线扁平 【1 l 尔大学硕士学位论文 电缆插座儿与外界联系。 另外，该板上有片8 2 5 3 可编程计数定时芯片，# l 、# 2 计数器级联使 _ | _ j 时司以作为a d 电路部分的定时信号发生器，# 0 计数器用户可以f 1 行安排 使用。 h y - - 6 0 7 0 板上的a d 转换电路有三种触发方式：软件触发、定时触发、 外部事件信号触发方式。a d 转换完成后，数据传输方式有查询方式和中断方 式，以i 二三种触发方式利用查询方式判断a d 转换完成。在中断工作方式下， 可以选用软件触发、定时触发、外触发方式中的任一种。由于采用软件触发方 式可以很方便地实现转换和数据传输，所以在本实验中采用软件触发方式。在 选用软件触发方式时，由编程向某一地址写数据产生触发a d 转换的信号，此 时应屏蔽定时触发和外触发方式。 将板基地址设置为2 8 0 h ，则程序中所用地址的分配情况如表2 2 所示： 表2 - 2 寄存器地址分配情况表 地址写读 2 8 0 h模拟输入信号通道选择寄存器n c 2 8 l h软件触发a d 转换开始a d 完成位寄存器 2 8 2 hd a 低8 位数据寄存器a d 低8 位数据寄存器 2 8 3 hd a 高4 位数据寄存器a d 高4 位数据寄存器 2 8 4 h命令字寄存器n c h y - - 6 0 7 0 板设置完成后插入计算机扩展槽，并与比例阀和传感器连接好。 这样，系统通过位移传感器采集的模拟信号经a d 转换后成为数字量反馈给计 罐机，计算机产生的数字控制信号经d a 转换后输出模拟电压信号控制比例阀， 从而对气缸的运动进行控制。 2 1 4 控制系统软件平台 在本课题中，软件平台是以硬件平台为基础，基于m a t h w o r k s 公司的 m a t l a b 软件和m i c r o s o f t 公司的v i s u a lc + + 研制的。 m a t l a b 是美国m a t h w o r k s 公司1 9 8 2 年推出的一套高性能的数值汁算和 t tj 东大学硕士学位论文 可视化编程软件，其强大的扩展工具箱为各个领域的研究提供了基础，涉及擦 制领域的有l m i 控制、鲁棒控制、系统辨识、神经网络、模糊逻辑等工具籀。 研究人员可以在m a t l a b 中利用各种工具箱进行仿真和分析。 v i s u a lc + + 是m i c r o s o f t 公司推出的支持可视化编程的集成环境。它包含两 方面的含义：。是可视化，二是利用计算机图形技术和方法，对大量的数据进 行处理，并用图形图像的方式形象而具体地加以显示。 本论文先用m a t l a b 工具箱进行建模、仿真分析。然后通过v i s u a lc + q 进 行软件编程，实现对实验系统的实时控制。 2 2 系统的数学建模 2 2 1 系统数学建模的必要性 在客观世界中，为了对某一事物或过程进行定量研究，常常需要建立表征 该事物或过程本质的模型。所谓一个过程的模型就是对该过程本质方面的一种 表述，它能以某种形式提供关于该实际过程更全面、更深刻的知识【”1 。而在工 程上多是建立数学模型。 建立数学模型有两种途径：是分析法，即根据所研究系统的物理机理， 利用有关定律及物理量之间的关系等，用数学方法推导出数学模型，这就是机 理建模。本章将用分析法对电一气比例控制系统建立数学模型。另一一种是实验法， 即系统辨识，关于系统辨识，本论文将在第3 章详细探讨。 气动系统归纳起来有以下几个特点： ( 1 ) 时变性：系统的参数不是定常的，是髓时问改变的，而且在运动过程 中，参数与工作点位置有关； ( 2 ) 热变性：系统特性受外界温度变化影响； ( 3 ) 压敏性：系统特性受气源压力变化影响大； ( 4 ) 非线性：气体可压缩性、低粘性和机构存在的各种摩擦力使系统呈严 重的非线性； 气动系统的这些特点给系统建模和控制带来了许多困难，要想对气动系统 建立精确的数学模型几乎不可能。但通过分析系统的运动规律，运用- 些已知 的定理和定律，如热力学定律、能量守恒定律、牛顿第二二定理等，通过一些合 i u 东大学硕士学位论文 理而必要的假设和简化，推导m 系统被控对象的基本动态方程，并将其在某 上作点附近线性化，从而获得一个近似的数学模型。虽然这个模型不是很准确， 但还是能够反映出电一气比例位置系统的大致规律，并且借此分析出影响系统运 动特性的丰要因素，给系统的进步分析和控制提供了指导。因此，对系统进 行数学建模是必要的。 2 2 2 计算机控制气动比例位置系统的特性分析研究 个实际的控制系统，其动态特性的精确描述是极为复杂的，它们中很多 是属于分布参数系统，而且其特性往往具有非线性，有时甚至是时变的。但是 在建立它们的数学模型时，人们总是尽可能采用简化的处理方法近似的加以数 学描述。在很多情况下，系统的数学描述都简化为线性定常集中参数系统。 为得到有效的控制方法，使系统性能达到最优，首先对被控对象进行研究， 以便掌握它的运行特性。 2 221 系统的动态特性 通过综合分析该系统，该系统的主要非线性环节有： ( 1 ) 时间延迟环节 气动系统一般是由软管连接且有的系统连接管路较长，而长管道是典型 的纯时间延迟环节，造成气动信号滞后于电气控制信号以及气压信号的间断， 容易造成气动执行元件的自持振荡以及控制效果“慢半拍”的现象。为了减小 由于管路引起的时间延迟，本实验系统尽可能缩短了阀与气缸之间的连接管道。 本论文通过系统辨识和参数识别、建模后，在控制器中进行处理，有效的减小 了时问延迟、消除了自持振荡等现象。 ( 2 ) 摩擦力的非线性环节 为了提高位置控制的精度，设计时考虑了执行元件的非线性摩擦力的作用。 非线性摩擦力的产生主要有以下几个方面： 由于气体的粘度很小以及润滑性能不好，气动部件的漏气和运动副之间 的干摩擦相对较大，在低速运动时负载易于爬行。 由j 二静摩擦力和库仑摩擦力不相同，因此，无论气缸活塞在设定位置停 止或启动时，它们所受到的动摩擦力和静摩擦力相互转化，产生执行元件的振 1 i l 东大学硕士学位论文 i 一i i m i ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! s ! ! ! g ! ! ! ! 荡现象。 ( 3 ) 执行元件的非线性 气缸容积内的气体在气腔内形成一弹性环节，而该弹性环节是扑线性的 容易使气缸产生振荡现象。 2 2 2 2 比例阀的特性分析 1 比例阀的结构及原理 输入电压 图2 、3 电气比例阀的结构图 本研究采用的是德国f e s t o 公司生产的滑阀式比例阀。滑阀式比例闽的原 理是比例电磁铁在控制输入信号的激励下，产生一个吸引力直接驱动阀芯位移， 并与作用在阀芯上的弹簧力平衡，实现电一气比例阀的输出流量和控制输入信号 成线性比例关系。图2 - 3 本实验系统用电一气比例阀的结构图。 2 比例阀的死区对系统性能的影响 li y 、 厂一 一u 0 l u 0 2u 罔2 - 4 比捌周撼量特性馥线 在电一气比例控制系统设计时，为了减少系统能耗，采用的气动比例阀大 都带有阀口正遮盖量。这样实际比傍阕的流量特性益线如图2 ，4 所示，使得阀 芯通过中位时，执行机构将有。段时间不能响应指令信号，即此类阀存在一定 中位死区。 一般中位死区占到额定输入值的1 0 1 5 ，而且其范围随一l 二况的不同而 1 l 东大学硕士学位论文 变化难以在线测量。对j ：以零位为工作点，或需要反复过零位的闭环系统， 这种死区将严重影响控制品质，甚至无法工作。 本文使用的是m p y e 一5 一l 型比例流量阀。阀电源电压为2 4 v ，输出电压为0 1 0 v 。5 v 电压时阀处 二中间位置，即阕口关闭。流量为0 ，o v 和l o v 电压时阀 门开度最大阀流量最大。电压大于i o v 时，阀处丁流量饱和状态。 本文采用的改进方法为通过神经网络在线自学习的方法在线调整控制电压 的修正量，减少比例阀在死区附近的停留时间，从而达到克服死区的目的。具 体方法将在432 中具体介绍。 3 比例阀的静态摩擦力对系统性能的影响 绪论中已经介绍过控制阀的非线性是造成过程控翎时变性的主要原因，其 中最严重的非线性现象是静态摩擦和滞后。当然，在机械系统中，摩擦和滞后 部存在。问题是，在操作过程中，摩擦和滞后通常会逐渐增加，并且超过一定 的时间后控制系统会出现粘一滑现象和震动。如果受到污染的话，控制阀的摩擦 力会增加并引起一系列问题。由于摩擦和震动，机械系统的某些部位会引起滞 后。 随时间和工作状况的不同，摩擦力的大小会发生变化。温度的变化也会引 起摩擦力的变化。温度较高，物体会膨胀，因此摩擦力增加。夕 部介质造成污 染也会引起摩擦力增加。外部介质形成的颗粒会导致阀的损坏。因为磨损通常 是不均匀的，所以在阀的不同部位摩擦力也不同。 2 2 ，2 3 气缸的摩擦力特性分析 l 摩擦力特性概述 气缸的摩擦力是影响气动系统性能的重要因素，其大小、方向取决于滑动摩 擦副的材料、表面粗糙度、润滑条件、受力大小及温度等因素。气缸的摩擦力 对气动比例位置系统的影响很大，特男f j 是低速运动时更为明显。 气缸摩擦力分为动摩擦力和静摩擦力f ，。静摩擦力又称库仑摩擦力，与 气缸承受的径向力n 的大小、库仑静摩擦系数，成正比；动摩擦力又分为库仑 摩擦力和粘性摩擦力，库仑动摩擦力与气缸承受的径向负载大小、库仑动 摩擦系数成正比，而粘性动摩擦力与活塞的运动速度、粘性动摩擦系数成正比。 山东大学硕士学位论文 7 锄m 摩擦力的特性是非线性的，当活塞的运动速度为零时，气缸摩擦力为静 摩擦力，当气缸开始运动时，摩擦力为库仑摩擦力与拳 性摩擦力之和。 r = ，凡当v = 0 时 ，= 产：+ f = 比h 寸j ( 2 一i ) 式中：峋为临界速度；是根据运动趋势来定，摩擦力方向与运动趋势相反。 ( a )( b ) 图2 - 5 气缸的速度摩擦力特往曲线 当气缸处丁：静止状态时，摩擦力主要为静摩擦力，当气缸开始运动时，静 摩擦力快速下降为动摩擦力，此后，如气缸运动速度和径向负载不变，摩擦力 基本保持不变，但由于气缸加工误差及装配误差等原因，因摩擦系数随行程的 变化而变化，库仑摩擦力有上下波动的现象。 一个典型的标准气缸具有图2 5 ( a ) 中的曲线a 所示的摩擦特性，在气缸 静止与运动间，存在一临界速度点，当小于临界速度v 。时，动摩擦力随速度 增加而减小，当大于临界速度时，动摩擦力髓速度增加面加大。即当它从静 止到开始动作时其摩擦力将突然下降。 从控制理论上分析，这一现象将产生一个正反馈。从而引起系统不稳定( 爬 行) 。解决这一困难的方法之一是对气缸摩擦特性进行优化，设法得到图2 5 ( a ) 中曲线1 3 所示的摩擦特性。但是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。一种行之有效的方法是根据气缸的当前运动速度校正正反 馈增益，同时在控制信号中叠加颤振信号如图2 5 ( b ) 所示。本文采用了在 控制信号中叠加高频低幅颤振信号的方法进行研究。具体方法将在434 中具体 介绍。 l i i 东大学硕士学位论文 2 气缸摩擦力特性的分析 在实验台中选用的气缸是d g p l 2 5 4 0 0 一p p v - a g f b 型无_ 杆气缸。 由气缸活塞的力平衡方程，可得气缸摩擦力计算公式为： 吩= ( 删。+ b 爿：) 一厂m 詈 ( 2 圳 式中轴向外力负载f = 。，又因为是对称气缸，故：吩= a p a m 等 当气缸由静止到低速运行( 大1 i 爬行速度) 时，气缸速度、加速度较小， 近似为零。 3 气缸摩擦力的数学模型 根据式( 2 1 ) ，可得到气缸摩擦力的数学表达式如下： = s t g n ( d y d t x k y 目+ 女p v )当v 0 时 = s i g n ( d y d t ) ( k ，r ) 当v = 0 时j( 2 - 3 ) 式中y 气缸位移( m m ) ； 民径向载荷( n ) ； v 活塞速度( m s ) ； k ，库仑静摩擦力系数； 七。库仑动摩擦系数，随气缸行程变化而稍有波动，般视作常数： 七。粘性摩擦系数。 r f i n ) l 、 反向运动 l 正向运动y ( 用 、 国2 - 6 摩擦力模型 摩擦力模型为非线性模型，对静摩擦到动摩擦的变化过程，简化为线性下 降过程，如图2 - 6 所示。 i 【1 东大学硕士学位论文 2 2 3 系统的数学模型 根据系统的流量连续性方程、能量方程、气缸活塞的力平衡方程、比例阀 的压力流量方程，能得到利用线性模型和估算系统模型建立的本阀控缸实验系 统的传递函数，见式( 2 - 4 ) ，9 9 级硕士研究生对系统建模作了详细的介绍。 ；= 瓦去 = 面丽i 而硐 ( 2 - 。) x 之十垄! 川 5 吣1o 4 ”1 。0 9 1 旷2 抖1 j ” l w 。+ w 。 其中k 、速度放大系数( 速度增益) ： m 系统的固有频率( h z ) ： 厶系统的阻尼比： 2 3 计算机控制气动比例缓冲系统信号处理 计算机控制气动比例缓冲系统本质上是直接数字控制系统，所以其信号的 处理可以利用计算机直接控制系统的一些理论。计算机控制系统特性可以用连 续控制系统理论解释，但有很多特性是不能简单地等同于连续系统理论的。， 图2 7 计算机模拟量控制系统结构框图 图2 - 8 计算机模拟量控制系统信号变换结构框图 对于连续控制系统，无论是被控对象还是控制器部分，其各点信号在时间 上和幅值上都是连续的。而计算机控制系统是模拟部件和数字部件的混合系统。 如图2 7 为计算机模拟量控制系统的结构框图。其被控对象和传感器是模拟式 l 东大学硕士学位论文 部件，而控制器采用了数字h + 算机。对丁这种模拟部件和数字部件共存的混合 系统，信号变换装置a d 、d a 则是必不可少的，信号的传输及变换过程较为 复杂。如图2 - 8 是其信弓变换结构框图。其中a d 变换器是种将连续模拟信 号变换成离散数字编码信号的装置，d a 变换器将数字编码信号转换为相应的 时间连续的模拟信号(