（机械电子工程专业论文）高精度气体压力源研究.pdf

华中科技大学硕士学位论文 摘要 目前气动技术，广泛应用于国民经济各部门，人们对气动位置和速度伺服控制系统 研究得较多，但是关于压力伺服控制的研究却不多见。考虑到某些半实物仿真系统中 需要，即要求产生高精度高响应气体压力信号，本文针对气动压力伺服控制系统的特 点，在理论上研究了系统的性能和相应的控制策略，最后通过实验，实现了气体压力 的高精度高响应伺服控制。 首先，阐述气体压力源的工作原理，建立其非线性数学模型，并通过仿真技术研 究了系统性能，讨论了气源压力、气源温度以及密闭容腔容积大小等系统参数对系统 特性的影响。 其次，对气体压力源的控制策略进行了研究。由于系统具有严重的非线性和弱阻 尼的特性，采用经典控制方法( 如p i d 控制) 虽然在某些情况下可以获得较好的控制 效果，但其具有难以适应系统参数的变化、控制参数整定困难的缺点。f u z z y p i d 复 合控制不需要系统精确的数学模型，对系统参数变化的适应能力强，适合于压力伺服 控制系统。本文设计出f u z z y p i d 复合控制器，并进行仿真研究，结果表明该控制系 统具有良好的动静态特性。 最后，建立了压力伺服控制实验系统，在实验中采用流量伺服阀作为电气转换元 件构成压力闭环控制系统，并编制出相应的计算机控制软件和人机交互界面。实验结 果表明，本文建立的数学模型合理、理论特性分析正确，所采用的控制策略有效，控 制系统具有良好的鲁棒性、较高的响应特性和控制精度。系统跟踪阶跃信号时，响应 曲线的超调量不超过2 ，压力控制误差不超过l k p a 。 本文的工作为进一步研究高精度气体压力源打下了良好的基础。 关键词：气体压力源压力伺服充放气过程f u z z y p i d 控制 华中科技大学硕士学位论文 a b s t r a c t n o w d a y sp n e u m a t i c s i sm o r ea n dm o r eu s e di nv a r i o u si n d u s t r i a la n dc i v i lf i e l d s r e c e n t l yp e o p l em a k ea l o to fl - e s e a r c h e so np n e u m a t i cs e r v o c o n t r o ls y s t e mo f p o s i t i o no r v e l o c i t y b u tr e s e a r c ho np n e u m a t i cp r e s s u r es e r v o c o n t r o ls y s t e mi sr a r e ap r e s s u r es i g n a l w i t hh i g hp r e c i s i o na n dr e s p o n s ei sr e q u i r e dt og e n e r a t ei ns o m es i m u l a t i o no f p r a c t i c a l i t y h it h i sd i s s e r t a t i o ni n l i g h t o fc h a r a c t e r i s t i c so fp n e u m a t i cp r e s s u es c r v o c o n t r o l s y s t e m p e r f o r m a n c e so f t i l es y s t e ma n dd i f f e r e n tc o n t r o lm e t h o d sa r e t h e o r e t i c a l l yr e s e a r c h e do i l a t l a s tap n e u m a t i cp r e s s u r es o u r c ew i t hh i g hp r e c i s i o na n dr e s p o n s ei sa c h i e v e d t h r o u g h e x p e r i m e n t s f i r s t l y ，w o r k i n gp r i n c i p l eo fp n e u m a t i cp r e s s u r es o u r c ei se x p a t i a t e da n dan o n l i n e a r m a t h e m a t i c a lm o d e lo ft h es y s t e mi s f o u n d e d b ym e a n so fs i m u l a t i o ne f f e c t so ns y s t e m c h a r a c t e r i s t i c so f s y s t e mp a r a m e t e r ss u c h a sp r e s s u r eo fa i r s u p p l y , t e m p e r a t u r e o fa i rs u p p l y a n dv o l u m eo fc l o s e dc h a m b e ra r ed i s c u s s e d s e c o n d l y ，t i l l e ec o n t r o la l g o r i t h m sa p p l i e dt ot h es y s t e ma r es t u d i e d f h o u g hac l a s s i c c o n t r o la l g o r i t h m s ( e g i i dc o n t r 0 1 ) c a l la t t a i ng o o dc o n t r o le f f e c tu n d e rs o r t i ec i r c u m s t a n c e i th a sd r a w b a c k st h a ti ti sd i f f i c u l tt oa d a p tt oc h a n g eo fs y s t e mp a r a m e t e r sa n dt ot u l l e c o n t r o lp a r a m e t e r s i ti sb e c a u s eo ft i l es e r i o u sn o n l i n e a r i t yo f p n e u m a t i cs y s t e l n ah y b r i d o ff u z z ya n dp l dh a sa d v a n t a g e so fn o tk n o w i n ga c c u r a t em o d e lo fs y s t e ma n dg o o d a d a p t i v ea b i l i t y t ot h ec h a n g eo fs y s t e mp a r a m e t e r s ，w h i c hi ss u i t a b l ef o rt i l e p r e s s u r e s e r v o c o n t r o ls y s t e m af u z z y - p i dc o n t r o l l e ri ss u c c e s s f u l l yd e s i g n e di nt i l ed i s s e r t a t i o na n d s i m u l a t i o nr e s u l t ss u g g e s tt h a tt h es y s t e mw i t hf u z z y p i dc o n t r o l l e rc a no b t a i ng o o ds t a t i c a n d d y n a m i c b e h a v i o r f i n a l l y ，t h ep r e s s u r es e r v o c o n t r o ls y s t e mi ss e tu p i ne x p e r i m e n t s af l o ws e r v o v a l v ea s e l e c t r i c p n e u m a t i ct r a n s d u c e ri sa d o p t e dt oc o m p o s ep r e s s u r ec o n t r o ls y s t e mw i t hc l o s e d l o o p a tt i l e s a m et i m es o f t w a r et h a tn o to n l yi m p l e m e n t st h ec o n t r o la l g o r i t h mb u ta l s o p r o v i d e sa n i n t e r f a c eb e t w e e nt i r eu s e ra n dt h es y s t e mi sp r o g r a m m e d t h ee x p e r i m e n t a l r e s u l t ss h o wt h eh y b r i do ff u z z ya n dp i dc o n t r o l l e rc a l la t t a i nh i g ha c c u r a t ea n dr e s p o n s i v e c o n t r o le f f e c t si np n e u m a t i cp r e s s u r es e r v o c o n l l o ls y s t e m i ti sp r o v e dt l m tt i l el b u n d e d m o d e lc a l ld e s c r i b et h es y s t e m ，c h a r a c t e r i s t i ca n a l y s i si nt h e o r yi sc o r r e c ta n dt i l ec o n t r o l 华中科技大学硕士学位论文 s t r a t e g y h a s f e a s i b i l i t y a n d s t r o n gr o b u s t n e s s w h e na d o p t e d f u z z y p i d c o n t r o lt h e o v e r s h o o to fs y s t e mr e s p o n s eo f s t e ps i g n a li sn om o r et h a n2 a n ds t e a d y s t a t ep r e s s u r e e r r o ri s1 1 0m o r et h a nl k p a t h er e s e a r c h e s , o ft h ed i s s e r t a t i o n l a yd o w nag o o df o u n d a t i o nf o rs t u d y i n gf u r t h e r p n e u m a t i cp r e s s u r es o u r c ew i t hh i g hp r e c i s i o n k e yw o r d s ：p n e u m a t i cp r e s s u r es o u r c e p r e s s u r es e r v o c h a r g i n ga n dd i s c h a r g i n g p r o c e s sf u z z y p i dc o n t r o l 独创性声明 本人声明所呈交的学位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，除文中已经标明引用的内容外，本论 文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的研究成果。对本文的 研究做出贡献的个人和集体，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。 学位论文作者签名：到涪 日期：他年月；d 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，即： 学校有权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，允许 论文被查阅和借阅。本人授权华中科技大学可以将本学位论文的全部或部 分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段 保存和汇编本学位论文。 保密口，在年解密后适用本授权书。 本论文属于， 不保密囱。 ( 请在以上方框内打“”) 学位论文作者签名： 刘港 指导教师签名： 佥。声广 两鬯l 。 日期：加午年牛月岁。日日期：。午年尹月岁。日 华中科技大学硕士学位论文 = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = ；= = = = = = = = = = 一 1 绪论 1 1 气动技术概述 气动技术是指以压缩空气为动力源实现各种生产控制自动化的一门技术，也可以 说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。 气动技术的应用历史已久，随着工业机械化和自动化的发展，气动技术越来越广 泛她应用到如下各个领域中：机械工业、冶金工业、轻工纺织和食品工业、化工工业、 军工工业、航空工业、交通运输和其它大量的民用当中1 2 j ，气动技术己和电子技术、 液压技术一样成为实现生产过程自动化不可缺少的重要手段。 1 1 1 气动技术的发展 气动技术的发展是与人类的生产进步密切相关的。远在几千年前，空气就被利于 到生产中，诸如帆船、风车和风箱等。十八世纪的英国工业革命促进了社会生产的迅 速发展，在1 8 5 5 年发明了空气压缩机后，压缩空气的应用不断推广：1 8 7 1 年开始在 采矿业采用气动风镐，1 8 8 0 年美国的威斯汀豪斯利用压缩空气可以快速驱动的特点， 研制了火车的刹车装置，显示了气压传动简单、快速、安全、可靠的优点，开创了气 压传动应用技术，但这些装置的目的主要是传递动力并做功 3 】口二次世界大战后，由 于各国科技迅速发展和经济繁荣，工业界在寻求高效率、低成本、安全可靠又有较长 使用寿命的自动化元件和技术过程中，气动技术应运而生。 然而人们一般认为，现代气动技术( 包括传动和控制两方面) 在工业生产中的实 际应用却是近四十年的事。上世纪五十年代末出现的射流逻辑元件，以及随后出现的 各种有可动件的气动逻辑元件，开始把数字技术和逻辑代数等技术引进气动领域，这 才赋予气动技术以新的内容，使气动技术具有了传动和控制两方面的综合含义，从而 促进了气动技术的迅猛发展，适应了工业生产中日益增长的需要h 。此阶段中，大多 数气动元件从液压元件改造和演变过来，体积很大；六十年代，气动技术开始构成工 业系统并自成体系；在七十年代，由于气动技术与电子技术的结合应用，其在自动化 华中科技大学硕士学位论文 = = = _ = = = ；= = = = = = $ = = = = = = = = = = = = = = = = = 控制领域得到广泛的推广：八十年代则是气动系统集成化和微型化的时代；而九十年 代气动技术突破了传统的死区，经历着飞跃性的发展；当今，伺服气动是气动技术应 用发展的火车头。 近年来由于材料科学的发展、制造技术的进步，气动元件的性能有了很大的进展： 气缸的润滑和摩擦特性显著改善，动态和静态性能更优、响应速度更快的控制阀已经 进入市场，以及可以提供优质压缩空气的气源供给装置和气动系统的辅助附件不断问 世；同时随着微电子技术、计算机技术和网络技术的迅猛发展以及现代控制理论的完 善和智能控制理论的提出，出现了可编程控制技术、比例侗服控制技术、脉宽调制控 制技术，这使得气动技术呈现出新的生机和活力 5 。j 。 气动技术又被称为工业自动化的“肌肉”，它在国外早已被普遍运用。在美、法、 德、日等主要工业发达国家，气动技术己得到了高速发展，现代设备和生产线上几乎 都有气动系统。一些大型气动元件生产企业如德国f e s t o 公司等，结合各种新材料、 新工艺、新结构配件，以及现代控制理论和智能控制理论，不断推出各种更加小型化、 集成化、复合化的新型气动元件，诸如人工肌肉、阀岛、智能轴控制器甚至应用于气 动系统的工业现场总线等新技术，这都极大地拓展了气动技术的应用领域。 我国于七十年代初期才开始重视和组织气动技术的研究。无论从产品规格、种类、 数量、销售量、应用范围，还是从研究水平、研究人员的数量上来看，我国与世界主 要工业国家相比都十分落后。为发展我国的气动行业，提高我国的气动技术水平，缩 短与发达国家的差距，开展和加强气动技术的研究是很必要的【8 】。 1 1 2 气动技术的特点卜4 气动技术真正为全世界各个工业部门所接受并广泛应用，除了是由于日益迫切的 生产自动化和操作程序的需要外，也是由于气动技术具有如下许多优点： ( 1 ) 气动技术以空气为工作介质，取之不尽用之不竭。而且空气的粘性很小， 在管内流动阻力小，压力损失小，便于集中供气和远距离输送： ( 2 ) 由于空气的物理和化学性质稳定，所以气动技术工作环境适应性好，特别 在易燃、易爆、多尘埃、强磁、辐射、振动等恶劣环境中比液压、电子、 电气控制优越： 华中科技大学硕士学位论文 ( 3 ) 气动元件结构简单，动作迅速反应快，可以在较短的时间内达到所需的压 力和速度，并具有过载自动保护功能； ( 4 ) 空气有可压缩性，便于用贮气罐贮存能量，当使用多个执行元件时，相互 之间影响不大，系统压力自保能力强； ( 5 ) 气动系统的组装、维修以及元件的更换比较简单，整个气动系统造价低廉。 当然，没有一种十全十美的技术，气动技术也有其自身的缺点： ( 1 ) 气动装置中的信号传递仅限于声速的范围内，远慢于电子信号传递速度，有较 大的延迟和失真，因此气信号传递不适合高速传递复杂信号的回路： ( 2 ) 由于空气是可压缩的，所以气动系统的稳定性较差，给位置控制和速度控制精 度带来较大的影响。同时空气的可压缩性、弱阻尼和系统的摩擦力导致气动系 统的强非线性，给气动控制带来较多的困难； ( 3 ) 气动系统工作压力低( 一般小于o 8 m p a ) ，因而气动系统输出力小，在相同的 输出力的情况下，气动装置比液压装置尺寸大： ( 4 ) 气动系统排气嗓音大，尤其在超音速排气时，需要加装消声器： ( 5 ) 工作介质空气本身没有润滑性，如不是采用无给油气动元件，需另加油雾器等 装置进行给油润滑。而且压缩空气的供给也要经过适当处理之后才可以放心使 用。 尽管气动技术有上述一些缺点，但它的优点是主要的。新技术和新工艺的出现也 弥补了气动技术的不足，使得其在各个工业部门中得到日益广泛的应用。 12 气动伺服技术 气动伺服技术是以气体为工作介质，实现能量传递、转化、分配及控制的一门技 术心1 。众多的研究报道表明，气动技术是实现现代传动和控制的关键技术，而气动伺 服技术是其中一个重要的分支，也是目前气动技术研究的热点。以l p , 例伺服控制阎为 核心组成的气动比例伺服控制系统可以实现压力、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f 9 】。气动伺服控制系统按其采用的电一气转换元件的 不同可分为电一气比例伺服控制系统和电一气开关伺服控制系统。 华中科技大学硕士学位论文 = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = ；= = = 实际上人们在5 0 年代就开始采用压缩气体作为工作介质进行闭环控制。在1 9 5 6 年，s h e a r e r 等人成功地将采用高压、高温气体的气动伺服机构应用于航天飞行器及导 弹的姿态和飞行稳定控制中。由于空气压缩性大、粘度小、刚度低，对低压系统很难 用古典控制方法和模拟调节器实现精密伺服控制，因此气动伺服控制长期停留在理论 和实验阶段。1 9 7 9 年德国a a c h e nr w 工业大学wb a c k e 教授研制出的第一个气动伺 服阀大大推进了气动伺服控制的发展。此后，德国、日本、美国等工业发达国家投入 大量资金和人力成功地研制了各种规格的比例阀和伺服阀，以及高性能的气缸、气马 达。随着高性能的电一气控制元件和执行元件的迅速发展，气动伺服控制技术的研究 也取得了一定的成功。我国的周洪博士、陈太军博士对电一气比例，伺服系统及其控制 策略进行了有益的研究。此外，在哈尔滨工业大学许耀铭教授承担国家高技术“8 6 3 ” 计划自动化领域智能机器人主课题中，关于“电一气伺服系统及其电一气伺服器件的 开发研究”的工作也取得了一定的成果。 以上这些研究工作都是在电一气比例伺服控制系统中展开的。电一气比例伺服系 统采用模拟信号控制的比例阀或伺服阀作为电一气信号转换元件，这类系统控制精度 高、响应快，但比例阀或伺服阀造价昂贵，因而系统成本高，而且对工作环境要求严 格。丽电一气开关伺服系统采用数字信号控制的开关阀作为电一气信号转换元件。这 类系统成本低，对工作环境要求不高，且易于计算机控制，但获得宽频带、高精度比 较困难。 开关伺服控制晟旱出现在液压系统中，b u r r o w s 最先将开关伺服控制应用气动伺 服机构中。八十年代初，一e u n 等人设计了一种新的气动开关伺服机构，并详细研究 了该机构的稳定性和精度。以上的开关伺服机构都是通过简单的逻辑判断来反馈气缸 的位置，只能实现点到点( p t p ) 控制，而且精度很低。这期间，gb e l f o r a t e 等人将 机车制动技术引入气动丰几构，设计了一种带抱闸的气缸，实现了在目标位置的定位。 后来，日本的花房秀朗、原田正一等人用开关阀、节流阀的串并联实现气缸的分区控 制。北京航空航天大学莫松峰博士用三个开关阀组成个新的气动位置开关控制系统， 实验结果表明，该系统具有实现简单、方便、成本低且性能好等优点。以上的气动开 关控制系统，尽管采用了位移传感器，但位移信号只是作为逻辑判断用，没有用来调 华中科技大学硕士学位论文 节控制信号的大小，其本质仍是开环控制或者说准闭环控制。因此，这种系统的特点 是成本低、控制简单；但精度进一步提高受到限制。随着控制指标的提高，气动开关 控制向脉冲调制的开关伺服控制发展，如脉宽调制( p w m ) 、脉冲编码调制( p c m ) 、 脉冲数调制( p n m ) 及脉频调制( p f m ) 。 虽然气动技术存在固有弱点，如空气可压缩性、阀口流动的强非线性、机械大摩 擦、弱阻尼及低刚度等，实现气动系统的闭环控制比较困难，但是只有采用闭环控制 才能满足高精度高响应的要求。目前出现的工业化的气动闭环控制系统，即气动伺服 系统是在传感技术、电子技术、现代控制技术和软件技术的最新发展基础上实现的。 伺服气动技术实现了气动系统输出物理量的连续控制，主要用于气动驱动机构的启动 和制动、速度控制、力量控制( 如机械手的抓取力控制) 和精确的任意定位方面。伺 服气动系统的主要特点是运动速度高、输出功率大、工作寿命长和成本低，在工业自 动化领域中表现出强劲的竞争力【1 0 】。 1 3 气动伺服系统的控制技术 气动技术的发展尤其是气动伺服技术的发展离不开控制技术，气动技术早已不是 “纯气动的技术”，而是具有控制概念的“电一气技术”，可以这么说没有控制技术的 进步就没有气动伺服技术的广泛应用。因此，随着气动元件性能的提高，相应控制策 略的研究必须迸一步深入，以适应气动伺服控制技术的发展需要。 1 3 1 控制技术发展简介 自从美国数学家维纳在二十世纪四十年代创立控制论以来，自动控制理论得到了 飞速发展，在工业、国防以及民用等各个领域均取得了成功的应用。在应用和理论研 究中，经过长期的发展和实践检验，逐渐形成了一些具有代表性的控制策略，从应用 特点出发，可以将控制策略的发展分为传统控制策略、现代控制策略和智能控制策略 三个发展阶段。 传统控制策略是一种单回路线性控制方法，基本上只适用单输入一单输出( s i s o ) 控制系统，这些控制策略主要包括p i d 控制、前馈控制、串级控制、s m i t h 控制、d a l i n 算法以及可以应用于多变量的解耦控制。其采用的方法通常是以传递函数、频率特性、 一_ _ _ _ _ _ - - _ _ _ _ - _ _ _ _ _ _ _ _ 一 5 华中科技大学硕士学位论文 i i - ；= ；= = 根轨迹分布为基础的波德( h w b o d e ) 图法和依凡思( w r e v a n s ) 的根轨迹法， 包括劳斯( e j r o u t h ) 一赫尔维茨( h u r w i t z ) 代数判据、奈奎斯特( hn y q u i s t ) 稳 定性判据与希望对数频率特性综合等。经典控制理论主要研究线性定常系统，也可以 处理简单的非线性问题，但由于其往往需要精确的系统数学模型，故不适合非线性时 变系统。 六十年代末，由于航天飞行器等空间技术开发的需要而发展起来的现代控制理论， 主要用来研究多输入一多输出的被控对象，系统可以是线性的、定常的或时变的。现 代控制理论的研究方法也由频率法转向状态空间法、积分变换法转向矩阵理论，建模 手段也从机理建模向统计建模转变。现代控制理论中具有代表性的控制策略有自适应 控制、变结构控制以及预测控制等。 八十年代以来，世界各工业向着大型、连续、综合化发展，所构成的控制系统也 越来越复杂对象复杂、环境复杂以及任务复杂。系统的不确定性( 包括对象的不 确定性和环境的不确定性) 是最困难的问题，也是对传统控制的最大挑战。这对控制 系统的要求越来越高，迫切需要提高控制系统的智能化水平。而七十年代末期人工智 能( a i ) 的研究取得了极大进展，并迅速以其新颖丰富的思想和强有力的问题求解能 力渗透到各种领域中，自动控制与人工智能的结合产生了智能控制。智能控制理论的 研究与应用，是现代控制理论在深度上和广度上的开拓，因此受到各国学者的极大关 注，并在模糊控制、专家系统、神经网络、遗传算法和分级递阶控制等方面取得了可 喜的进展。 由于智能控制具有如下两个特点【1 2 】：1 ) 以专家或熟练操作人员的知识为基础进 行推理，用启发式来引导求解过程：2 ) 对于外界和系统过程进行理解、判断、预测和 规划，采用符号信息处理、启发式程序设计、知识表示和自学习、推理与决策等智能 化技术，实现宏知识问题的综合性求解。因此可以认为智能控制是智能化、信息化自 动控制系统的主要控制方式。理论和实验研究都已经表明，智能控制理论在处理不确 切的非线性时变系统或过程中，比其它控制理论具有更大的灵活性和鲁棒性，它必将 把自动控制理论推向一个更深化的崭新阶段。 华中科技大学硕士学位论文 ：= ：= 一= = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = 一 13 2 气动伺服系统的特点及其控制 对于气动伺服系统来说，其有如下的特点i i j j ： ( 1 )因为气动伺服系统的气动压力回路( 机构) 的无阻尼固有频率比较低，所 以气动系统容易发生低频振荡，系统的稳定性能较差： ( 2 ) 气动伺服系统的输出刚度、响应速度以及效率都比较低。并且因为气体的 粘性阻力系数小，不仅润滑差，运动部件之间容易发生库仑摩擦，还使得 配合件间的密封困难，泄漏严重。因此气动伺服系统不太适用于外负载变 化大的场合及位置控制精度要求严格的装置上； ( 3 )气动系统在工作过程中，工作气流本身有状态的变化，因此气流在气缸的 进排气通道、节流孔以及控制元件间隙处或者控制截面处流动，可能出现 “流量饱和”及发生冲击波。 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。国内外学者针对气 动伺服系统的特点，对控制策略提出了如下的要求：1 ) 在满足稳态精度条件下，尽量 提高系统的动态性能，要求控制器能做到快速无超调地控制被控对象：2 ) 对于系统参 数变化、外负载干扰和交叉耦合以及非线性因素引起的不确定性，控制系统应该有较 强的鲁棒性：3 ) 控制策略应该有较强的智能；4 ) 控制算法应该简单，实时强性。 p i d 控制是传统控制理论的中，山，它简单实用易掌握，在要求不高的气动控制场 合得到了广泛应用。但p i d 控制器设计的难点是比例、积分和微分增益系数的确定， 而且其不适合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。八十年 代兴起的智能控制正好满足了上述对气动伺服系统控制策略的要求，因此各种智能控 制策略在气动伺服系统中应用越来越广泛。 模糊控制是在气动伺服系统中使用得比较普遍的一种控制策略，它是以模糊集合 论、模糊语言变量及模糊逻辑推理为基础的一种计算机数字控制。模糊控制的特点是： 方面，模糊控制提供了一种实现基于自然语言描述规则的控制规律的新机制；另 方面，模糊控制提供了一种改进非线性控制器的替代方法，这些非线性控制器一般用 于控制含有不确定性和难以用传统非线性理论来处理的装置。 华中科技大学硕士学位论文 一：= 2 = = = = = = = = = = = = ；= = = = = = ；= = = ；= 一 对于气动系统来说，由于空气的可压缩性和摩擦力的非线性以及外部扰动的不确 定性，很难建立气动伺服系统各个阶段的精确模型，一般控制器的鲁棒性往往不能令 人满意。而模糊控制策略正好弥补了常规控制策略的不足，因此适合应用到气动系统 的控带f i 中。 1 4 课题来源、目的、意义和本文的主要内容 本课题为自筹课题。目的是研究气体压力源中压力的实时连续控制。 目前，人们对气动位置和速度伺服控制系统研究得较多，而且有不少成果已用于 工业实际中，但是关于压力伺服控制的研究却不多见。考虑到某些半实物仿真系统的 需要，即以高精度高响应气体压力源为研究对象，本课题针对气动压力伺服控制系统 的特点，采用流量伺服阀作为电气转换元件构成压力闭环控制系统，克服了采用压力 伺服阀所带来的响应慢和控制精度低等弱点，实现了气体压力的高精度高响应伺服控 制。 本论文的主要内容有： ( 1 ) 阐述压力伺服控制系统的工作原理，并针对其特点建立非线性数学模型； ( 2 ) 对系统数学模型进行计算机数字仿真，研究系统参数对系统的影响，得到 系统对常见输入信号的响应特性； ( 3 ) 在系统特性分析的基础上，提出采用f u z z y p i d 复合控制策略，并和传统 的p i d 控制相比较，给出了仿真结果； ( 4 ) 建立压力伺服控制系统，并通过实验验证本文的理论分析是正确的，所采 用的控制策略取得良好效果。 华中科技大学硕士学位论文 2 气体压力源特性研究 2 ，1 系统组成及工作原理 气体压力源的作用是产生高精度高响应气体压力信号，其本质是一个压力伺服控 制系统，系统原理图如图2 1 所示。 图2 1 压力伺月控制系统原理图 由图2 1 可知该压力伺服控制系统主要由计算机、数据采集卡、伺服阀、密闭容 腔、压力传感器以及气源装置等部分组成。计算机是该伺服系统的核心，它实现控制 器的功能根据密闭容腔中气体实际压力值与设定压力值的偏差，按照一定的控制 规律计算出控制量：伺服阀为电一气转换元件，它将计算机输出的电信号控制量转换 成阀芯相应的位移，实现对密闭容腔的充放气，从而使密闭容腔中的压力达到设定值； 压力传感嚣为本控制系统的检测元件，把密闭容腔中气体压力值转换成电信号并反馈 到计算机中：数据采集卡实现计算机中的数字信号与外界模拟信号的相互转换。 系统的工作原理如下：假设系统处于平衡状态，如果设定的气体压力值高于密闭 容腔中气体的压力值，控制器( 由计算机实现) 根据压力误差计算出控制量，该控制 信号为正并输出给伺服阀，使阀芯向正方向运动。结果气源向密闭容腔充气，其压力 增大，同时压力传感器测得的压力反馈信号也增大，导致误差减小并最终趋于零；反 之，当设定气体压力值小于容腔中气体的压力值，控制器计算出控制信号为负并输出 给伺服阀，阀芯向负方向运动，导致密闭容腔排气，其内的气体压力减小，压力反馈 信号也减小，最终实现误差趋于零。这样就实现了设定的气体压力值对密闭容腔中气 体压力的连续控制，或者说是密闭容腔中气体压力跟踪设定的气体压力信号。 华中科技大学硕士学位论又 ： ：一 2 2气体压力源数学模型 对于气动系统来说，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 以及摩擦力等原因，准确建立气动系统的数学模型并不容易。气动系统机理建模的研 究开始于5 0 年代，直到现在许多学者提出的模型大多都是基于线性化的思想”，这 些线性模型对于分析气动系统的性能还有很大的帮助，并使得以其为基础的控制理论 在气动系统中应用较为成熟。 2 21 系统模型建立 在建立系统的数学模型时，首先假设系统的热力学过程为准平衡过程，因为在工 作时气体能够及时地建立一系列力平衡和热平衡，可以把气动系统中的热力过程看成 是准平衡过程。对于准平衡过程，其每个状态都可以看成是平衡状态，因此有确定 的参数【1 5 】。这样，准平衡过程就可以用一个随时间连续变化的状态参数来描述，这为 研究系统的热力学过程带来很大的方便。 气体压力源压力伺服控制过程实际上是密闭容腔充放气过程。尽管容腔的充放气 过程是气动系统中的一个基本过程，但考虑到气体流动的复杂性，为了便于分析和研 究问题，特作如下假设： ( 1 ) 在常温常压下，对所研究的工作介质看成理想气体，理想气体状态方程： p = p r t 也适用于描述流动气体微团内各气体状态参数间的关系； ( 2 ) 气体流动过程为等熵( 可逆绝热) 过程，密闭容腔充放气时气体与外界无 热量交换，即视为绝热过程【j 6 j ； ( 3 ) 气体经过阀口流动时忽略粘性阻力的影响，并可以认为气体温度变化对其 特性影响很小，即视为等熵绝热过程： 4 ) 认为系统在充放气过程中无凝结现象产生 1 7 , 13 】； ( 5 ) 忽略各处的泄漏。 在密闭容胶充放气过程中，容腔内的气体参数是随时间变化的，不是定常流问题， 因此需要从开口系统的一般能量方程出发来进行分析。考虑如图2 2 所示的普遍形式 开口系统。 1 0 华中科技大学硕士学位论文 巧m u 2v 2 图2 2 普遍形式开n 系统 取l - 1 、2 2 截面间的工质作为系统，某瞬时r 到r + 占r 时间内系统的热力学第一 定律方程可以表示为 1 9 】： 固= 锄：( 也+ 孚+ 弘：) 一锄，( 鱼+ 孚+ 踊) + 矾+ 喝 ( 2 _ 1 ) 式中： 翻t 、6 新： 流入系统和流出系统工质的质量，k g ： h j 、 z 流入系统和流出系统工质的比焓，j k g ： 翻孚、锄：等2流入系统和流出系统工质所具有的动能，j ； 西，z - 萨1 、翻2 舻： 流入系统和流出系统工质所具有的位能，j ： 6 q 外界传入系统的微元热量，j ： 研： 系统对外输出的微元轴功，j ： 砸? 系统储存能量的变化，j 。 图2 3 密闭容腔充放气示意图 一 1 1 华中科技大学硕士学位论文 = 一= ：= = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = 对于如图2 3 所示的容积为矿的密闭容腔，充气时，参数为只，p 。，h s 的恒 定气源经伺服阀向密闭容腔内充气，容腔内气体的参数阻下标i 表示( 如尸，乃，p ， h ，m ，等) ，外界大气参数以下标e 表示( 如只，t 等) 。 取密闭容腔内整个容积的气体为控制体，根据普遍形式开口系统的能量方程( 2 1 ) 可以简化出充气时的能量方程。根据假设( 2 ) ，充放气过程时气体与外界无热量交换， 固= o ；充气时没有质量流出，西= 0 ：质量为锄( 这里用咖，表示) 的气体充入 密闭容腔前流速很低，位置变化很小，其动能和位能都可以忽略：气体对外没有轴功 输出，彤= o ：忽略容腔内气体动能和位能变化，皿= d u , ：d ( m ，“，) ；流入气体的 比焓h = 讯。将这些条件代入( 2 - 1 ) 式，便得到密闭容腔充气时能量微分方程： d m i 凡= d u ， ( 2 2 a ) 由此式可知，充入密闭容腔中气体的能量等于容腔中气体内能的增量。 同理对于放气过程：无气体质量流入锄= o ，流出质量翻：( 这里用d m ：表示) 不等于零，同时h ：= 啊，其余与充气过程相同。于是得到放气时能量微分方程： d m 2 啊= 一d u ,( 2 2 b ) 此式表明：从密闭容腔中放出气体的能量等于容腔中气体内能的减小量。 分析充气过程时的热力过程。若取定值比热容，( 2 2 a ) 式可写为 o - , p 幽1 = c ，d ( m ，1 ) ( 2 3 ) 式中： 旷。= 告斛锵，j k g k ： 铲m = 畚定靴拣盹k _ r 气体常数( 对于空气其值为2 8 7 ) ，j k g k ： k 等熵指数( 对于空气其值为1 4 ) 。 微分密闭容腔中气体状态方程p v = m r t 可得 峭= r d ( m ，1 )( 2 4 ) 合并( 2 - 3 ) 、( 2 4 ) 两式，得到充气时质量变化与压力变化关系式为 k r t 。d m = 肠僻 等式两端同除以d t ，便得到充气时间t l 与压力p i 的关系式： 出：，一叱 ( 2 5 艘t q 。、 同理，可以推导出放气时间t 2 与压力只的关系式： 衍：一上妲 ( 2 5 b ) 2 k r t , q 。，2 。 式( 2 5 a ) 和( 2 5 b ) 中q 。i 、g 。2 分别是充入和放出气体的质量流量。 在充气过程中，密闭容腔内气体的热力过程是一个多变指数为n 的多变过程。密 闭容腔中气体温度正是变化的，正和压力尸f 的关系可以由下式给出： 量：生当+ 盆王( 2 6 。) z圮只互。 式中n o 和p 坞为开始充气时容腔内气体的温度和压力( 一般与外界环境参数相 同) 。通常气源中气体温度瓦= t e ，则可以得到多变指数的表达式： = l + ( t 1 ) 警 可见在绝热定容充气过程中，容腔中气体的状态变化过程是：开始时( 只。p ，o ) ， n = k ，该阶段接近于等熵过程，随着密闭容腔中气体压力的升高，多变指数逐渐减小， 当压力足够大时，胛a1 ，该阶段接近等温过程。 而对于放气过程，可以得到n = k ，由此说明绝热定容放气过程为等熵过程。该过 程中容腔内气体温度正和压力p i 的关系为： 丢= 下 协s b ， 乃。和p 2 0 分别为开始放气时容腔内气体的温度和压力。 以上研究的是密闭容腔的充放气过程，下面考虑气体流经伺服阀的流量特性。 伺服阀的静态特性是描述稳态时气体流经控制口的流量与压力和阀芯的输入位移 之间的关系，通常称为压力一流量特性。在进行气体控制阀( 包括伺服阀) 的静态特 性分析时除了应考虑气体的可压缩性外，还需考虑气体流经控制节流口处的气流速度。 华中科技大学硕士学位论文 在控制节流口处，由于进出口处两端的压力变化，可能使气体在节流口处的流速达到 音速，即超临界流动，否则为亚临界流动。气体处于亚临界流动和超临界流动时其压 力一流量特性完全不同，该特性可以由下式来描述 1 】： 充气时： 一 放气时： 一 t 2 一 阮v 只击砖， 呲务 眠只砉，( 争i o 阮v p 击 p 詈2 1 r ( 2 - 7 b ) 吉“o 式中： 矿 伺服阀阀口湿周，m ： 知 伺服阀阀芯位移，m ： c o 临界压力比( 其值为0 5 2 8 ) ： 纠志 2 纠南) 击 志】2 !塑二 ，( 6 ) 2 一b 卜 从式( 2 7 a ) 和( 2 - 7 b ) 可以看出，气体流经过阀口的流量是上下游气体压力比 值的函数。在亚临界流动状态下，气体在伺服阀节流口处的流速为亚音速，其流量和 流速是受节流口下游压力来确定的，它们都随着下游压力的降低而增大；在超临界流 动状态下，气体在节流口处达到音速，同时气体流量不受下游压力的影响，维持在一 个最大值上。 由于伺服阀的动态特性比系统的动态特性要好很多，故在考虑伺服阀的动态特性 时，可将其视为一阶比例环节，阀芯位移与控制电压u 成线性关系： x ，2 k 。u ( 2 8 ) k v 阀芯位移对控制电压的增益，m v ： 华中科技大学硕士学位论文 u伺服阀的控制输入电压，v 。 式( 2 5 ) ( 2 8 ) 即为描述气体压力源压力伺服控制系统的数学模型。 22 2 系统特性分析 根据上节的分析可知，气体质量流量q 。是压力尸和伺服阀阀芯位移的函数， 即可用下面的关系式来表示： 口。= f ( q 。，p ) ( 2 9 ) 一般来说，函数式( 2 9 ) 是非线性的。但由于气动伺服系统经常工作在某稳定点 附近，因此可以用线性化理论对它进行线性化，也就是说，可近似用增量方程进行系 统的动态特性分析。为此可以假定： x i ，= x y o + 缸v p = 只+ 廿 则有 譬。，= f ( x + x 。，r + 户) ( 2 1 0 ) 将式( 2 - 1 0 ) 按台劳公式展开，并忽略二阶以上的无穷小项，则可得： 瓴2 _ 凹 沼 笪一k 0 p 足。，k 。统称为气动控制阀系数，其中k 。称为气体质量流量增益，k ，称为气体 质量流量一压力系数。 所以式( 2 1 1 ) 可写为 g 。= k 。，缸。一k 。a p( 2