（机械电子工程专业论文）三自由度电气比例伺服机械手的轨迹控制研究.pdf

h b s t i l a c t a b s t r a c t p n e u m a t i cc o n t r o it e c h n i q u e si sa ni m p o r t a n tm e t h o do fa u t o m a t i o na n d h a sb e e nw i d e l yu s e di nm a n u f a c t u r eb e c a u s eo fi t su n i q u ea d v a n t a g e s t h e a p p e a r a n c eo fe l e c t r o p n e u m t i cp r o p o r t i o n a l s e r v oc o n t r o im e t h o d s t h a th a s d e v e l o p e dt h ep n e u m a t i cs y s t e mf r o mt r a d i t i o n a lp o i n t - t o p o i n tc o n t r o lw a y t o s e r v oc o n t r o lw a y , g r e a t l yw i d e nt h ea p p l i c a t i o na r e ao fp n e u m a t i cs y s t e ma n d m a k el t sf u t u r ep r o s p e r o u s f i r s tt h i st h e s i sd e e p l yr e s e a r c h e so nt r a c ec o n t r o i o fs i n g l ee l e c t r o p n e u m t i cp r o p o r t i o n a l s e r v oa x i ss y s t e m t h i sw o r ki n c l u d s h o wt op r e s e n ts y s t e mm a t h e m a t i c a lm o d e la n dg e tt h ec o n t r o ls t r a t e g y o n t h eb a s i so ft h i sw o r kt h i st h e s i s s u c c e s s f u l l y s e t u p at h r e e - f r e e d o m s p n e u m a t i cs e r v or o b o tt h a tc a nw r i t ec h i n e s e - h a n d w r i t i n g t h i sp n e u m a t i c r o b o tc a nt r a c et h es p a c el o c u sa c c u r a t e l y t h ew h o l et h e s i sc o n s i s t so ff o u rs e c t i o n s ： c h a p t e r o n ef i r s t b r i e f l y s t a t e st h e t e c h n i q u e f e a t u r e t h ec u r r e n t a p p l i c a t i o ns i t u a t i o na n dt h ef r o n t i e r so fp n e u m a t i cc o n t r o lt e c h n i q u e s t h e n i n t r o d u c e st h e d e v e l o p i n g - h i s t o r y a n dc u r r e n t a p p l i c a t i o n s i t u a t i o no f e i e c t r o p n e u m t i cp r o p o r t i o n a l s e r v oc o n t r o im e t h o d s e s p e c i a l l yj n t r o d u c e st h e c o n t r o i t h e o r y t h a tu s e d i n e l e c t r o p n e u m t i cp r o p o r t i o n a l s e r v o c o n t r o l s y s t e m a n dt h ec u r r e n tp n e u m a t i cr o b o t s i nt h ee n d t h i sc h a p t e rp o i n t so u t t h es u b j e c t so fm a i nr e s e a r c hw o r k a f t e rd e d u c i n gt h em a t h e m a t i c a im o d e i o f e l e c t r o p n e u m t i c p r o p o r t i o n a l s e r v ot r a c ec o n t r o l l e ds y s t e mb yt h e o r e t i c a ia n a l s i s ，t h es e c o n d c h a p t e rd i s c u s s e ss o m ep a r a m e t e r sa f f e c t i o nt os y s t e mp e r f o r m a n c e a n dt h e n l h i s c h a p t e r r e s e a r c h e so nt h e p r e s s u r e - f l o we q u a t i o n a n dm o d i f i e st h e g e n e r a i u s e ds a n v i l l e e q u a t i o n b e c a u s e o ft h ee s s e n t i a ln o n l i n e a r c h a r a c t e r i s t i co fe l e c t r o p n e u m t i c p r o p o r t i o n a l s e r v oc o n t r o ls y s t e m t h i sc h a p t e r s t u d i e sh o wt og e tp l a n t sb ys y s t e mi d e n t i f i c a t i o nm e t h o d ，p u t sf o r w a r dt h e j d e n t i f i c a t i o ni d e aa n ds c h e m e g e t st h ei d e n t i f l c a t i o nr e s u l t s c h a p t e r t h r e e a n a l y z e s t h eb a s i cc h a r a c t e r i s t i c so f e l e c t r o p n e u m t i c p r o p o r t i o n a l s e r v ot r a c ec o n t r o l l e ds y s t e m e s p e c i a ls t u d yt h ei n f l u e n c eo ft h e v a l v ed e a dz o n e s y s t e mf r i c t i o na n ds a t u r a t i o np h e n o m e n o n a f t e rt h a tt h i s c h a p t e rd i s c u s s e st h r e ew a y st h a tg e t ss y s t e ms t a t e ( d i f f e r e n t i a l + f i l t e r , t w o k i n d so fs t a t eo b s e w e ek a l m a ne s t i m a t o r ) a n dc o m p a r ew i t he a c ho t h e r a t i a s tt h i s c h a p t e r r e s e a r c h e ss o m ew a y st h a tm a k es y s t e m p e r f o r m a n c e o p t i m a l i n c l u d i n gt e s tw a y , p o l e a l l o c a t i o nw a y ，l i n e a rq u a d r a t i c ( l q ) w a ya n d a b s t r a c t l i n e a rq u a d r a t i cg a u s s i a n ( l q g ) w a y t h i sc h a p t e rp u t sf o r w a r dan e ww a y t h a tu s e sl qd e s i g n e db u ta d d s i n t e g r a l a n d c o m p e n s a t i o n i i n k s a n d e x p e r i m e n t s t e s tt h i sw a yc a ng e ts a t i s f a c t i o nr e s u l t t h ef o r t hc h a p t e rf i r s td e s c r i b e st h ew h o l ed e s i g no fr o b o tt h a tt h a tc a n w r i t ec h i n e s e h a n d w r i t i n ga n dt h e ni n t r o d u c e st h eh a r d w a r ea n ds o f t w a r e d e s i g np r o c e s s i n g t h eh a r d w a r ed e s i g ni n c l u d e st h es e l e c t o fp n e u m a t i c c y l i n d e r , t h ei m p r o v e m e n to fp n e u m a t i cc y l i n d e ra n dt h es e r v oa x i ss y s t e m d e s i g n t h es o f t w a r ed e s i g n i n c l u d e s p r o g r a m m i n g i np ca n ds p c 一2 0 0 s t r e s s e st h es e r i e sc o m m u n i c a t i o np r o g r a mb e t w e e ne a c ho t h e le x p e r i m e n t t e s t 讯e st h a tt h i sr o b o tc a ns u c c e s s f u i l yt r a c et h es p a c el o c u sa n dh a sh i g h e r t r a c ep r e c i s i o na n d s p r e c i s i o n 符号说明 符号说明 p ：压力 v ：容腔的体积 r ：气体常数 t ：温度 q 。：流量 q 。：容腔a 流量 q m b ：容腔b 流量 m ：气体质量 m 。：容腔a 气体质量 m 。：容腔8 气体质量 p 。：容腔a 气体密度 p 。：容腔b 气体密度 v 。：容腔a 的体积 v b ：容腔b 的体积 t a ：容腔a 的温度 t b ：容腔b 的温度 e ：单位质量气体所具有的总能量 w f 容腔或外界需要推动气体出入系统所做的流动功 q ：热量 w s ：活塞运动时容腔对外界所做的功 e ：容腔内气体所具有的总能量 e 。：容腔a 内气体所具有的总能量 e b ：容腔b 内气体所具有的总能量 e 。：容腔a 内单位质量气体所具有的能量 e 。：容腔b 内单位质量气体所具有的能量 v ：容腔a 或外界需要推动气体出入容腔a 所做的流动功 w 。：容腔b 或外界需要推动气体出入容腔b 所做的流动功 q 。：容腔a 热量 q ：容腔b 热量 w 。：活塞运动时容腔a 对外界所做的功 w 。：活塞运动时容腔b 对外界所做的功 c 。：气体定容比热 u ：单位质量气体所具有的内能 v ：气体的比容 h ：气体的比焓 c 。：气体定压比热 k ：开氏温标 r ：比热比( 或称等熵指数) m ：活塞及惯性负载质量 f i ：外负载力 f ：粘性阻尼摩擦系数 f 。：库仑摩擦力 p 。：供给压力 u ：计算机控制信号 c + ：临界压力比 l ( a ：流量增益 k c ：流量压力系数 符号说明 第一章绪论 第一章绪论 摘要 本章第一部分扼要叙述了气动技术的特点、应用现状和最新发展趋势第二部分介绍 了电一气比例伺服技术的发展和现状，着重介绍了控制理论在电一气比例伺服控制技术中 的应用以及电一气比例伺服控制机器人的发展状况本章第三部分指出了进行电一气比例 伺服轨迹控制研究的重要性，指出了本论文研究的主要内容 1 1 1 气动技术的特点 气动技术是与液压技术同时发展起来的一门传动和控制技术，它是以气体 为介质，实现了能量传递转换分配及控制【1 1 。同其它的传动技术如液压传动、 电气传动、机械传动相比，气动技术具有以下优点嘲： 1 ) 以压缩空气为介质，能源简单易得； 2 ) 可防爆、防磁，抗干扰能力强； 3 ) 系统构造简单，设各成本低； 4 ) 清洁。不污染环境； 5 ) 有缓冲性，无过载危险，系统安全可靠： 6 ) 系统运行速度快，可调节性好； 气动技术的主要缺点有： 1 ) 空气需进行除尘、除水处理； 2 ) 系统运行是噪声较大： 3 ) 因为压缩性原故，系统效率低： 4 ) 压缩空气的可压缩性很大，造成了气动系统刚度低、定位精度差： 目前，气动技术已成为工业自动化的重要手段，但大多采用逻辑控制方 式，主要应用于开关控制场所。 1 1 2 气动技术的现状 最初，气动系统主要用在机车制动、矿山机械等行业；后来，则使用于冶 金、汽车、机械等重工业；现在又大量应用于自动化装置、机器人、半导体工 业等尖端行业。气动系统在自动化生产中占有重要的地位，已广泛应用于各行 各业【3 】o 七十年代以来，世界主要工业国家气动产品的产量和品种均有不同程度的 增长。日本从1 9 7 5 年至1 9 8 5 年的1 5 年中，气动元件销售额增长了4 1 倍； 第一章绪论 第一章绪论 摘要 本章第一部分扼要叙述了气动技术的特点、应用现状和最新发展趋势第二部分介绍 了电一气比例伺服技术的发展和现状，着重介绍了控制理论在电一气比例伺服控制技术中 的应用以及电一气比例伺服控制机器人的发展状况本章第三部分指出了进行电一气比例 伺服轨迹控制研究的重要性，指出了本论文研究的主要内容 1 1 1 气动技术的特点 气动技术是与液压技术同时发展起来的一门传动和控制技术，它是以气体 为介质，实现了能量传递转换分配及控制【1 1 。同其它的传动技术如液压传动、 电气传动、机械传动相比，气动技术具有以下优点嘲： 1 ) 以压缩空气为介质，能源简单易得； 2 ) 可防爆、防磁，抗干扰能力强； 3 ) 系统构造简单，设各成本低； 4 ) 清洁。不污染环境； 5 ) 有缓冲性，无过载危险，系统安全可靠： 6 ) 系统运行速度快，可调节性好； 气动技术的主要缺点有： 1 ) 空气需进行除尘、除水处理； 2 ) 系统运行是噪声较大： 3 ) 因为压缩性原故，系统效率低： 4 ) 压缩空气的可压缩性很大，造成了气动系统刚度低、定位精度差： 目前，气动技术已成为工业自动化的重要手段，但大多采用逻辑控制方 式，主要应用于开关控制场所。 1 1 2 气动技术的现状 最初，气动系统主要用在机车制动、矿山机械等行业；后来，则使用于冶 金、汽车、机械等重工业；现在又大量应用于自动化装置、机器人、半导体工 业等尖端行业。气动系统在自动化生产中占有重要的地位，已广泛应用于各行 各业【3 】o 七十年代以来，世界主要工业国家气动产品的产量和品种均有不同程度的 增长。日本从1 9 7 5 年至1 9 8 5 年的1 5 年中，气动元件销售额增长了4 1 倍； 第一章绪论 德国气动元件产量1 9 8 3 年是1 9 7 0 年的2 5 倍；美国气动元件销售额平均增长 率是机械工业的1 5 倍左右。目前国外3 0 的自动化装各，2 2 2 9 的机器 人，9 0 的包装机械，7 0 的铸造焊接设备都装有气动系统或元件【4 1 。采用气 动技术的程度，己成为衡量一个国家工业发展水平的重要指标之一【5 】。 我国气动技术起步较晚，从1 9 6 7 年上海建立第一家气动元件厂开始，经 过3 0 多年的发展已初步形成了一个独立的行业。然而无论从产品规模、种类、 质量、销售额、应用范围，还是从研究水平、研究入员的数量上来看，我国与 国际先进水平相差甚远。如在国外工业发达国家，气动行业产值为机械工业产 值的1 ，2 ，而我国目前只有0 1 一0 3 嘲。我国气动技术应用水平也远远低 于国际先进水平，控制技术应用方面仍局限于普通开关控制，电气比例，伺服技 术的应用极少。 1 1 3 气动技术的最新发展方向 进入八十年代，自动化技术经历了令人瞩目的飞跃性发展，自动化设备的 应用覆盖面越来越广，自动化机器在性能和功能上都有显著的提高。顺应这一 发展趋势，国际气动技术也发生了很大的变化，突出表现在以下两个方面：即 气动技术与机械技术的结合以及气动技术与电子技术的结合n 。 气动、机械一体化是将传统气动系统的多种独立元件经过专门化设计，有 机的集成为一体，成为模块化产品。采用了这种模块化产品，用户不必花大量 的对间精力去设计或选择许多相关的部件，可以节省大量的设计开发和设备生 产安装的时间。这种模块化、标准化的气动元件适应大工业的要求，代表着气 动元件发展方向。图1 1 所示的d g p i l 型无杆气缸，内置位移传感器，导向装 置采用滚珠轴承，可精确驱动，抗扭转，是这类产品的代表 8 1 。 图1 - 1d g p i l 型无杆气缸示意图 电子技术的突飞猛进为气动技术的进一步发展提供了条件，气动技术与电 子技术结合最具有代表性的是阀岛技术和电气比例，伺服控制技术。 阀岛技术出现的背景是以分散加工和分散控制为模式的自动化加工线的日 益使用。用传统气动系统实现这种生产控制，系统中将包含大量的分立元器 件、管道和连线。而目前的阀岛技术是现场总线结构，即阀岛控制信号的输 第一章绪论 德国气动元件产量1 9 8 3 年是1 9 7 0 年的2 5 倍；美国气动元件销售额平均增长 率是机械工业的1 5 倍左右。目前国外3 0 的自动化装各，2 2 2 9 的机器 人，9 0 的包装机械，7 0 的铸造焊接设备都装有气动系统或元件【4 1 。采用气 动技术的程度，己成为衡量一个国家工业发展水平的重要指标之一【5 】。 我国气动技术起步较晚，从1 9 6 7 年上海建立第一家气动元件厂开始，经 过3 0 多年的发展已初步形成了一个独立的行业。然而无论从产品规模、种类、 质量、销售额、应用范围，还是从研究水平、研究入员的数量上来看，我国与 国际先进水平相差甚远。如在国外工业发达国家，气动行业产值为机械工业产 值的1 ，2 ，而我国目前只有0 1 一0 3 嘲。我国气动技术应用水平也远远低 于国际先进水平，控制技术应用方面仍局限于普通开关控制，电气比例，伺服技 术的应用极少。 1 1 3 气动技术的最新发展方向 进入八十年代，自动化技术经历了令人瞩目的飞跃性发展，自动化设备的 应用覆盖面越来越广，自动化机器在性能和功能上都有显著的提高。顺应这一 发展趋势，国际气动技术也发生了很大的变化，突出表现在以下两个方面：即 气动技术与机械技术的结合以及气动技术与电子技术的结合n 。 气动、机械一体化是将传统气动系统的多种独立元件经过专门化设计，有 机的集成为一体，成为模块化产品。采用了这种模块化产品，用户不必花大量 的对间精力去设计或选择许多相关的部件，可以节省大量的设计开发和设备生 产安装的时间。这种模块化、标准化的气动元件适应大工业的要求，代表着气 动元件发展方向。图1 1 所示的d g p i l 型无杆气缸，内置位移传感器，导向装 置采用滚珠轴承，可精确驱动，抗扭转，是这类产品的代表 8 1 。 图1 - 1d g p i l 型无杆气缸示意图 电子技术的突飞猛进为气动技术的进一步发展提供了条件，气动技术与电 子技术结合最具有代表性的是阀岛技术和电气比例，伺服控制技术。 阀岛技术出现的背景是以分散加工和分散控制为模式的自动化加工线的日 益使用。用传统气动系统实现这种生产控制，系统中将包含大量的分立元器 件、管道和连线。而目前的阀岛技术是现场总线结构，即阀岛控制信号的输 第一章绪论 入、输出通过一根两芯线即可完成。这大幅度节省了接线的时间，而且由于连 线的减少使设备所占的空间减少，使设备的维护更为方便嗍。图i - 2 为带可编程 控制器的现场总线型阀岛i 。 图i - 2 现场总线型阀岛 随着工业自动化技术的发展，传统气动系统只能在两个设定位置可靠定位 并且其运动速度只能靠节流阀单一设定的状况，无法满足许多设备的自动控制 要求。因而电气比例，伺服控制技术，得到了越来越广泛的应用。因为采用电 气伺服定位系统可方便地实现多点无级定位，此外利用电气比例，伺服系统的速 度连续可调性以替代传统的节流阀加气缸端位缓冲器方式，可以达到最佳的速 度和缓冲效果，大幅度降低气缸的动作时间，缩短工序节拍，提高生产率h ”。 气动技术与机械技术的结合，气动技术与电子技术的结合，推动气动技术 向模块化、集成化、系统化和智能气动方向发展【1 2 】。 1 2 电- 气比例，伺服技术的发展和现状 一般电一气比例，伺服控制系统可以表示为图1 4 。它主要由执行元件( 气缸或 气马达) 、电一气比例，伺服阀、反馈检测元件及控制器四部分组成。在本论文研 究中约定系统的“被控对象”是指由执行元件，比例，伺服阀及检测元件组成的 子系统，如图中的虚线框内部分。 图i - 4 电气比例，伺服控制系统框图 第一章绪论 入、输出通过一根两芯线即可完成。这大幅度节省了接线的时间，而且由于连 线的减少使设备所占的空间减少，使设备的维护更为方便嗍。图i - 2 为带可编程 控制器的现场总线型阀岛i 。 图i - 2 现场总线型阀岛 随着工业自动化技术的发展，传统气动系统只能在两个设定位置可靠定位 并且其运动速度只能靠节流阀单一设定的状况，无法满足许多设备的自动控制 要求。因而电气比例，伺服控制技术，得到了越来越广泛的应用。因为采用电 气伺服定位系统可方便地实现多点无级定位，此外利用电气比例，伺服系统的速 度连续可调性以替代传统的节流阀加气缸端位缓冲器方式，可以达到最佳的速 度和缓冲效果，大幅度降低气缸的动作时间，缩短工序节拍，提高生产率h ”。 气动技术与机械技术的结合，气动技术与电子技术的结合，推动气动技术 向模块化、集成化、系统化和智能气动方向发展【1 2 】。 1 2 电- 气比例，伺服技术的发展和现状 一般电一气比例，伺服控制系统可以表示为图1 4 。它主要由执行元件( 气缸或 气马达) 、电一气比例，伺服阀、反馈检测元件及控制器四部分组成。在本论文研 究中约定系统的“被控对象”是指由执行元件，比例，伺服阀及检测元件组成的 子系统，如图中的虚线框内部分。 图i - 4 电气比例，伺服控制系统框图 第一章绪论 电一气比例，伺服控制系统按功能可分为位置控制系统、速度控制系统和力控 制系统，其中位置控制系统具有最为广阔的应用前景，同时这类系统的数学模 型最为复杂，从控制的角度看其研究难度也最高，显然其研究成果可以十分方 便的推广到其它系统的研究中。 电一气比例胙日服控制技术的发展可追述到五十年代后期，当时军事上的需要 激发人们对气动伺服技术的研究。19 5 6 年s h e a r e r 等人成功地将高压、高温气 体作为工作介质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f 1 ”】。由于空气压缩性大、粘度小，对于低压系统很难用古典控制方法实 现精密伺服控制，因此气动伺服控制长时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w b a c k e 教授研制出了第一个气动伺 服阀，大大推进了气动伺服技术的发展【1 5 i 。此后，美国、德国、日本等工业发 达国家的气动公司为适应这项技术发展的要求，投入了大量资金和人力成功地 研制了各种规格的电气比例， 司服阀，以及高性能的伺服气缸、气马达【e 】【1 硼q ， 使电- 气比例，伺服控制技术作为一种工业传动和控制技术，开始应用于工业自动 化场合。 在高性能的电- 气比例，伺服控制元件和执行元件迅速发展的同时，微电子 技术、现代测量技术和现代控制理论也取得很大的发展，这就可以利用这些领 域的新成果来克服气动系统固有的缺点，从而大大推进气动技术由传统的点位 控制向智能化的伺服控制方向过渡【1 铘f 2 0 】。 值得一提的是控制理论在电一气比例伺服控制技术中的应用。由于气体可压 缩性大、粘度小，使得电- 气比例恫服系统固有颇率低、阻尼比小、时变性和非 线性严重，这给电- 气比例，伺服系统的控制带来了因难。国内外大部分电气比 例，伺服控制技术的研究工作是针对各种控制理论展开的，都试图寻找一种最佳 的控制策略。 古典控制以传递函数为基础研究单输入单输出定常控制系统，是比较简单 而又比较成熟的控制方法【2 1 1 。古典控制一般用校正网络对系统进行综合校正， 常用的有滞后、超前、滞后一超前校正网络，另一种应用最广而又非常有效的是 p i d 校正网络，p i d 控制器的控制规律为： u ：卟卅寺f e ( t ) + l 剥 ， 其中：k ，为比例常数，t 为积分比例常数，t d 为微分比例常数。 p i d 控制器具有结构简单，参数易于调整，算法较灵活等优点，但对外界 适应能力较差。对电一气比例，伺服控制系统，p i d 控制器虽然能实现控制，但控 制效果不甚理想。现代控制理论的应用大大促进了电气比例，伺服系统控制技术 的发展。 现代控制理论是在状态空间中，利用状态方程和输出方程来描述动态系统 的运动规律础。现代控制理论既适用于单输入单输出、线性、定常、集中参数 控制系统，又适用于多输入多输出、非线性、时变、分布参数控制系统，应用 第一章绪论 范围很广。目前较成熟的现代控制理论有最优状态反馈控制、自适应控制、鲁 棒控制、变结构控制和智能控制等。 ( 1 ) 最优状态反馈控制目前，国外在电- 气比例，伺服系统中使用最多的 控制算法是状态反馈控制p 3 2 4 1 1 2 5 1 2 8 1 ，研究成果表明状态反馈可以有效地克服 原电气比例，伺服系统被控对象的弱点，显著改善系统的控制性能。在规定的约 束条件下，使性能指标函数达到极值的控制叫做最优控制1 2 7 1 。最早将最优控制 用在电气比例，伺服系统的是k s h i m a d a r 2 4 。周洪将线性二次型最优控制 ( l q ) 引入电气比例，伺服系统 2 3 1 ；b l i u 将线性二次型高期最优控制 ( l q g ) 用于三自由度电气比例，伺服机械手系统中啕。 图1 5 是典型的电气比例，伺服位置控制系统最优状态反馈框图，其中状 态反馈变量的选取有二种方案：一是取位移、速度和加速度为状态向量；二是 取位移、速度和压差为状态向量。后一种方案由于能有效补偿压力的滞后，能 明显地改善气动系统的阻尼，但较前一种方案增加硬件支出，所以一般用第一 种方案。反馈系数k 。、k ，和k ，通过线性二次型最优法或线性二次型高斯最优法 求得。 图1 5 电气比例伺服控制系统最优状态反馈控制框图 ( 2 ) 自适应控制自适应控制在电一气比例胴服控制领域已有一定的研究 1 3 1 2 3 2 q 。文献【2 8 】研究了阀控气缸系统一阶、二阶及三阶参考模型的模型参考自 适应控制。文献【2 9 】对阀控气缸系统的自校正控制进行了研究，并与p i d 控制 进行了比较。 ( 3 ) 鲁棒控制近2 0 年来，鲁棒控制理论及其实际应用得到了迅速发 展，已在空间技术、冶金、化工、机械加工等控制领域的许多方面得到了越来 越广泛的应用，收到了日益显著的效果po 】。鲁棒控制在电- 气比例，伺服系统中应 用的研究还较少，1 9 8 8 年周洪首次将鲁棒控制引进电- 气比例，伺服位置控制系 统中，并用实验证明了鲁棒控制可以提高电- 气比例，伺服位置控制系统对输入信 号的跟踪精度和对外部扰动的抑制能力【2 3 】。 第一章绪论 ( 4 ) 变结构控制变结构控制的基本原理是当对象状态穿越状态空间中的 某个事先规定的切换曲面时，控制器中的逻辑单元便使控制器结构发生变化， 迫使系统状态沿切换曲面作渐近稳定的滑动，达到参数变化和扰动不影响系统 特性的目的。湖南大学的黄文梅对电一气比例，伺服系统的变结构控制进行了研 究，结果表明变结构控制实现简单、鲁棒性强p ”。许宏光博士研究了电气比例 压力阀控制气缸的位置和力，用变结构控制策略，获得了0 1 m m 的位置精度 。 ( 5 ) 智能控制智能控制是利用人工智能中的模式识别、推理规则、学 习、专家系统和智能搜索等方法。整定、校正和优化自适应控制参数，选择工 作模式、处理异常事故，成功地完成实时控制任务。尽管这类控制尚处于萌芽 阶段，但已有研究将它用于电气比例，伺服控制系统删州，文献【3 3 】对采用伺服 阀的电- 气伺服系统进行了自学习控制研究，获得了满意的控制效果。 综上所述，各种现代控制策略在电气比例，伺服系统中应用的研究都有开 展。作者认为，控制策略各有千秋，具体选用哪种控制策略要根据系统特点、 性能指标和工作环境等因素来确定。 电气比例，伺服系统与其它系统一样，存在着严重的非线性、不确定性和系 统参数的漂移，因此该系统分析、综合时也需要用系统辨识技术、自适应控制 技术、鲁棒控制技术、智能控制技术。但电- 气比例，伺服系统又不同于热工仪表 系统、化工过程控制等缓变系统，它的另一个最突出问题是系统频响较高，因 而要求控制算法简单、运算时间短。一般电- 气比例，伺服位置控制系统采样时间 间隔在1m s 1 0 m s 之间，典型值为2 m s ，加上硬件成本又受到限制，使得许多 控制理论成果对电气比例，伺服系统并不都是适用的p 】。 随着对电气比例，伺服控制技术的研究深入越来越多的涉及到电气比例， 伺服控制机器人系统，研究内容包括机器人结构的实现方式研究阁p 6 舢【，控 制算法研究鲫【4 0 】h ”，控制结构研究h 等方面。虽然气动技术作为机器人的驱动 功能以工业界所接受，但对于气动机器人这一领域的发展持怀疑态度。事实 上，随电一气比例，伺服技术的发展，气动机器人技术已有了很大的进展。 较典型的有u t a h m i t 复杂机械手( u t a h m i td e x t e r o u sh a n d ) 旧，它的 1 6 个关节分别由1 6 个电- 气比例n 服气缸系统组成，能实现较复杂的运动，曾 出现过一大批研究此机械手的文章。 九十年代初布鲁塞尔皇家军事学院y b a n d o 教授领导的技术部成功研制 开发的电子气动机器人“阿基里斯”六脚勘探员【4 3 】。，如图1 6 所示。六脚电 子气动机器人能在六个不同的方向运动，最大行走速度0 1 m ，s 。六个脚中的每 一个脚都有三个自由度，分别用一个直线气缸和两个摆动气缸完成。通常如果 三个脚保持与地面接触，机器人便能以一种平稳的姿态行走。该机器人能在人 不宜进入的危险区域、污染或放射性的环境中进行地形侦察。 第一章绪论 图1 焉六脚电子气动机器人图1 - 7 气动攀墙机器人 德国汉诺威大学材料科学研究院设计了一种气动攀墙机器人【“l ，它能在两 个相互垂直的表面上行走，如图1 7 所示。该机器人轴心的圆周边上装备着几 排等距离的吸盘和气缸，一组吸盘的吸力和另一组吸盘的吸力交替交换，类似 脚踏车似的运动方式，使机器人产生旋转运动。这种攀墙机器人被用做搬运工 具，或执行如核能发电站、高层建筑物或船舶的清扫、检验和安装工作。攀墙 机器人可以说明，利用气动技术的真空吸盘，能使机器人轻易的解决垂直攀缘 等被视为困难的工作。 上面列举的几个电一气比例，伺服气动机器人系统，基本反映了这一领域的发 展现状。 1 3 课题的提出及本论文的主要工作 1 3 1 课题的提出 电一气比例胴服控制技术是微电子技术、控制技术和气动技术相结合的一种 技术，是气动技术发展的最新方向。随着电子技术与现代控制技术的迅速发 展，新型的电气比例，伺服元件、控制元件和传感元件层出不穷，电气比例，伺 服控制技术的应用水平到达了一个新的高度f 4 5 j 。 但应该指出，上面所述的电气比例，伺服位置控制系统都是基于点到点的位 置伺服控制，而不是轨迹跟踪控制。这种控制系统一般只能通过设定一系列定 位点( 定位点可以是任意位置) ，然后由控制器按照预定的位置完成整个控制 过程，而对中间过程并不做控制。传统观点认为，由于气动系统固有的缺点如 第一章绪论 图1 焉六脚电子气动机器人图1 - 7 气动攀墙机器人 德国汉诺威大学材料科学研究院设计了一种气动攀墙机器人【“l ，它能在两 个相互垂直的表面上行走，如图1 7 所示。该机器人轴心的圆周边上装备着几 排等距离的吸盘和气缸，一组吸盘的吸力和另一组吸盘的吸力交替交换，类似 脚踏车似的运动方式，使机器人产生旋转运动。这种攀墙机器人被用做搬运工 具，或执行如核能发电站、高层建筑物或船舶的清扫、检验和安装工作。攀墙 机器人可以说明，利用气动技术的真空吸盘，能使机器人轻易的解决垂直攀缘 等被视为困难的工作。 上面列举的几个电一气比例，伺服气动机器人系统，基本反映了这一领域的发 展现状。 1 3 课题的提出及本论文的主要工作 1 3 1 课题的提出 电一气比例胴服控制技术是微电子技术、控制技术和气动技术相结合的一种 技术，是气动技术发展的最新方向。随着电子技术与现代控制技术的迅速发 展，新型的电气比例，伺服元件、控制元件和传感元件层出不穷，电气比例，伺 服控制技术的应用水平到达了一个新的高度f 4 5 j 。 但应该指出，上面所述的电气比例，伺服位置控制系统都是基于点到点的位 置伺服控制，而不是轨迹跟踪控制。这种控制系统一般只能通过设定一系列定 位点( 定位点可以是任意位置) ，然后由控制器按照预定的位置完成整个控制 过程，而对中间过程并不做控制。传统观点认为，由于气动系统固有的缺点如 第一章绪论 系统频率低、阻尼比小、刚度差等，轨迹跟踪控制在电气比例，伺服系统是不可 能实现的，所以这方面研究较少，成功的报道至今尚未发现。 因此从“伺服”控制的角度而言，上述的电气比例，伺服位置控制系统并不 是真正伺服控制系统。但在实际的工业应用场合，大部分生产过程如自动化焊 接、切割、喷涂等需要能实现任意轨迹跟踪控制的伺服传动系统。特别是随着 工业自动化技术的发展，大规模柔性生产系统更要求传动控制系统较高的伺服 性能，而对电气传动、液压传动和机械传动而言，都能方便的实现任意轨迹的 跟踪控制，这也限制了气动伺服系统在自动化领域的应用。 综上所述，加强对电- 气比例，伺服技术，特别是电- 气比例，伺服位置控制系 统的连续轨迹跟踪控制研究，对扩大气动技术的应用范围，提高我国气动技术 的应用水平，加快我国工业自动化发展速度，乃至促进整个生产力发展都有着 重大意义。 本论文首先对单轴电- 气比例，伺服控制系统的连续轨迹控制进行了研究，包 括建模研究和控制策略研究。在这些工作的基础上，又成功的完成一台气动机 械手的研制，包括系统的硬件设计和软件设计，着重研究了该机械手主从式计 算机控制方式的实现方法，实验结果表明该机械手具有良好的空间轨迹跟踪效 果。 通过分析研究，本论文认为用电- 气比例，伺服位置控制系统实现轨迹跟踪控 制是完全可以实现，而且可以推广到气动机械手系统中，实现空间任意轨迹跟 踪控制。本论文的研究成果具有广阔的工业应用前景，如气动自动化焊接、切 割、喷涂等。 本课题是浙江大学机械电子控制工程研究所气动中心同德国f e s t o 公司 合作项目“气动毛笔书法机器人研究”的一部分。本课题的开展得到了f e s t o 公司大力合作，该公司为本课题提供了新型的气动元件，在此表示感谢。 1 3 2 本论文的主要工作 本论文主要研究内容概括如下： 1 ) 用机理分析方法建立了典型电- 气比例，伺服位置控制系统被控对象的数学模 型，分析了各种参数的影响。 2 ) 用实验方法分析研究了机理数学模型中的压力流量方程，建立了实验系 统，指出了目前公式中存在错误，提出了修正的压力流量方程公式。 3 ) 对被控对象进行了辨识研究，提出了系统辩识思想和辨识方法，建立了实 验系统，得到了具噪声干扰的辨识数学模型公式。 4 ) 定性分析了被控对象基本特性，用实验的方法研究了阀口死区、系统摩擦 力和气路饱和特性对系统性能的影响，提出了补偿措施。 5 ) 用实验和仿真的方法的研究微分+ 滤波、两类降维状态观测器和卡尔曼状态 最优估计三种状态估计方法，分析比较了各自的优缺点。 第一章绪论 系统频率低、阻尼比小、刚度差等，轨迹跟踪控制在电气比例，伺服系统是不可 能实现的，所以这方面研究较少，成功的报道至今尚未发现。 因此从“伺服”控制的角度而言，上述的电气比例，伺服位置控制系统并不 是真正伺服控制系统。但在实际的工业应用场合，大部分生产过程如自动化焊 接、切割、喷涂等需要能实现任意轨迹跟踪控制的伺服传动系统。特别是随着 工业自动化技术的发展，大规模柔性生产系统更要求传动控制系统较高的伺服 性能，而对电气传动、液压传动和机械传动而言，都能方便的实现任意轨迹的 跟踪控制，这也限制了气动伺服系统在自动化领域的应用。 综上所述，加强对电- 气比例，伺服技术，特别是电- 气比例，伺服位置控制系 统的连续轨迹跟踪控制研究，对扩大气动技术的应用范围，提高我国气动技术 的应用水平，加快我国工业自动化发展速度，乃至促进整个生产力发展都有着 重大意义。 本论文首先对单轴电- 气比例，伺服控制系统的连续轨迹控制进行了研究，包 括建模研究和控制策略研究。在这些工作的基础上，又成功的完成一台气动机 械手的研制，包括系统的硬件设计和软件设计，着重研究了该机械手主从式计 算机控制方式的实现方法，实验结果表明该机械手具有良好的空间轨迹跟踪效 果。 通过分析研究，本论文认为用电- 气比例，伺服位置控制系统实现轨迹跟踪控 制是完全可以实现，而且可以推广到气动机械手系统中，实现空间任意轨迹跟 踪控制。本论文的研究成果具有广阔的工业应用前景，如气动自动化焊接、切 割、喷涂等。 本课题是浙江大学机械电子控制工程研究所气动中心同德国f e s t o 公司 合作项目“气动毛笔书法机器人研究”的一部分。本课题的开展得到了f e s t o 公司大力合作，该公司为本课题提供了新型的气动元件，在此表示感谢。 1 3 2 本论文的主要工作 本论文主要研究内容概括如下： 1 ) 用机理分析方法建立了典型电- 气比例，伺服位置控制系统被控对象的数学模 型，分析了各种参数的影响。 2 ) 用实验方法分析研究了机理数学模型中的压力流量方程，建立了实验系 统，指出了目前公式中存在错误，提出了修正的压力流量方程公式。 3 ) 对被控对象进行了辨识研究，提出了系统辩识思想和辨识方法，建立了实 验系统，得到了具噪声干扰的辨识数学模型公式。 4 ) 定性分析了被控对象基本特性，用实验的方法研究了阀口死区、系统摩擦 力和气路饱和特性对系统性能的影响，提出了补偿措施。 5 ) 用实验和仿真的方法的研究微分+ 滤波、两类降维状态观测器和卡尔曼状态 最优估计三种状态估计方法，分析比较了各自的优缺点。 第一章绪论 6 ) 用实验和仿真的方法分析研究了试凑法、极点配置法、线性二次型最优控 制和线性二次型高斯最优控制的特点和控制效果。提出了带积分环节和补 偿环节的线性二次型最优控制器，得到了令人满意的轨迹控制效果。 7 ) 建立了实验系统测试比较了h m p 气缸的摩擦力特性，改进了h m p 气缸， 成功研制了新型伺服集成气缸并应用到气动机械手系统中。 8 ) 研究了主从式气动机械手的实现方法，着重讨论了主从式计算机控制方式 的实现方法，成功的研制了三自由度气动机械手。 第二章电气比例，f 司服位置控制系统的建模研究 第二章电气比例，伺服位置控制 系统的建模研究 摘要 本章首先用机理分析方法推导了电一气比例伺服位置控制系统被控对象的数学模型， 分析了各种参数的影响然后用实验的方法详细研究了机理数学模型中的压力一流量方程， 修正了通常采用s a n v i l l e 流量公式由于电一气比例，伺服位置控制系统被控对象的本质非 线性，本章最后用系统辨识方法来建立系统数学模型，提出了辨识思想和辨识方法，得到 了辨识结果 2 1 前言 被控对象特性研究是每个技术人员所面临的首要闯题对被控对象特性掌 握是解决问题的关键。数学模型是被控对象特性的抽象描述，是被控对象特性 的直接反映。因此，本章对电气比例，伺服位置控制系统被控对象的数学模型进 行了分析研究。 气体的可压缩性、低粘度和热敏性使电气比例恫服位置控制系统的特性不 易掌握，归纳起来有以下几个特点【蚰l ： 时变性：系统的参数不是