（机械电子工程专业论文）基于磁流变阻尼器的直线气缸位置控制研究.pdf

硕士学位论文 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。 但是由于气体的可压缩性、系统的非线性以及摩擦力等因素的影响，使得气动比例位置 控制系统难以获得满意的性能。针对这一问题，研究人员采取了多种控制策略，虽取得 了一些成绩，但往往因结构复杂性、不稳定等原因，难以在生产实际中使用。 p m 是经典控制理论的核心，在控制领域有非常深入的研究。由于其算法简单、调 节方便及可靠性高，被广泛应用于控制中，尤其是用于可建立较精确数学模型的确定性 系统。然而p d 控制又具有系统参数适应能力差，对干扰敏感的缺点。纠其原因是因 为：p m 对非线形系统的控制是基于工作点上小范围线形化理论的，要求工作过程中工 作点必须稳定，且各参量在工作点附近的变化范围不能太大。为此若气动系统采用p d 控制，其主要参数：质量流量、压力等在位置控制的目标点附近变化范围不能太大，且 工作点应稳定。 本文对磁流变( m r f ) 阻尼器进行了特性改造，并利用经特性改造磁流变 ( m r f ) 阻尼器，对运动过程采用分段变阻尼的控制方法，即在离目标位置距离较 大时，使磁流变( m r f ) 可控阻尼处于低阻尼态，快速接近目标，缩短接近目标的 时间；在离目标小于等于某距离时将磁流变( m r f ) 可控阻尼器接通励磁电，为系 统加入适当阻尼，提高动态性能。接入可变阻尼的另一个重要作用就是稳定目标 位置附近的工作点。这样就保证了工作点稳定，就可以在工作点附近将模型线性 化得到较准确的数学模型，就可以采用结构简单、调节方便及可靠的p i d 算法对 所建被控对象进行控制。 文中针对启动位置控制在目标值附近由于摩擦力而造成的缓慢“粘滑振荡 问题，在控制过程中，根据气缸速度与摩擦力的关系，对非线性库仑摩擦力进行 实时的补偿，以消除非线性库仑摩擦力的影响；而保留对系统动态性能有益的粘 性摩擦力。 仿真结果表明，该方法对气缸任意位置可控，而且具有良好的控制效果。 关键词：直线气缸位置控制；比例压力阀；静态工作点；阻尼调整；p d 控制 基于比例压力阀的直线气缸位置控制研究 a b s t r a c t p n e u m a t i cs y s t e m sh a v em a n yo b v i o u sa d v a n t a g e sa n da r ew i d e l yu s e di nt h ef i e l do f i n d u s t r i a la u t o m a t i o n p n e u m a t i cp r o p o r t i o n a lc o m r o l s y s t e mh a sb e c o m eo n eo ft h e i m p o r t a n tr e s e a r c h i n gs u b j e c t si nt h ef i e l do fp n e u m a t i cs e ot e c h n o l o g yb e c a u s eo fi t sl o w c o s t ，c o n c i s e n e s s 锄dc o n t a m i n a t i o n - 行e ec h a r a c t e r h o w e v e r d u et ot h ei n t r i n s i cd r a w b a c ko f g a sm e d i u m ，n o n l i n e a r i t yo ft h es y s t e ma n dt h ei n n u e n c eo ft h en o n l i n e a r 仔i c t i o no fa c t u a t o r ， “i sd i m c u l tt oa c h i e v eas a t i s f a c t o 巧p o s i t i o n i n gc o n t r o lr e s u l t t bs o l v et h i sp r o b l e m ， r e s e a r c h e r sh a v eb e e nt 巧i n gt oo v e r c o m et h ed i m c u l t i e s ，a l l ds o m ea c h i e v e m e n t sh a v eb e e n o b t a i n e d b u tm o s to ft h e ma r en o ts u i t a b l et ou s ei nt h ep r a c t i c a lp r o d u c t i o nf i e l db e c a u s eo f t h e i rc o m p l e x i t ya n du n s t a b l ep e f f o m a n c e p i di st h ec o r eo fc l a s s i c a lc o m r o lt h e o r y ，a n dt h ek n o w l e d g ea b o u ti th a sb e e nw e l l m a s t e r e db yt h ec o n t r o ls o c i e t y d u et ot h es i m p l i c i t yo fi t sc o n t r 0 1s t r a t e g y e a s yt u n i n ga n d h i g hr e l i a b i l i t y ，i ti sw i d e l yu s e di nt h ec o m r o lf i e l d ，e s p e c i a l l yi nt h ec a s ew h e r et h es y s t e m a c c u r a t et r a n s f e rf h n c t i o nc a nb eo b t a i n e d h o w e v e r ，i ti ss e n s i t i v et ot h ec h a n g eo fs y s t e m p a r a m e t e r sa n dd i s t u r b a n c e t h em a i nc a u s eo ft h es e n s i t i v i t yi sa sf o l l o w s ：t h eu s eo fp i di n t h ef i e l do fn o n l i n e a rs y s t e m si sb a s e dt h et h e o 叮o fm i n u t er a n g el i n e a r i z a t i o na n dt h es y s t e m p a r a m e t e r sm u s tk e e pt h e i rv a l u e sw i t h i ns m a l lr a n g ea r o u n dt h eo p e r a t i o np o i n t a c c o r d i n g l y f o rt h ep n e u m a t i cp o s i t i o n i n gc o n t r o ls y s t e 驰t h em a i np a r a m e t e r s ，s u c ha sm a s sf l o wr a t e 孤d p r e s s u r eo ft h ea c t u a t o r ，i n u s tk e e pt h e i rv a l u e sw i t h i ns m a ur a n g ea r o u n dt h es e to p e r a t i o n p o i n t t os o l v et h ep r o b l e m sa b 0 v e ，ap i db a s e dd s d r v ( d i 疏r e n ts e c t i o nd i 腩r e n tr e s i s t a n c e o f v i s c o s i t y ) c o m r 0 1m e t h o di sp r o p o s e d n a m e l y ，b e f o r et h ep l a ma p p r o a c ht h et a 玛e tp o i n tt o ac e r t a i nd i s t a n c e ，t h ep o s i t i o n i n gs y s t e mi si nt h es t a t eo fl o wv i s c o u sr e s i s t a n c e ，a n dt h e p l a n tm o v e st o w a r dt a 唱e tp o i ma tm ns p e e ds oa st os h o r t e nt h em 肌i n gt i m e a n e ri t a p p r o a c ht h et a 玛e tp o i n tt oac e r t a i nd i s t 锄c e ，t h ec o n t r o ls y s t e mt u m st 0t h es t a t eo fs u i t a b l e v i s c 0 u sr e s i s t a n c e b ym e 柚so fs w i t c l l i n g o nt h ee x c i t a t i o ne l e c t r i cc u l l r e mo ft h e 硕士学位论文 m a g n e t o - r h e o l o 舀c a lf l u i d ( 皿江) d a m p e rt h a tm e c h a n i c a l l yc o n n e c t e dt ot h ec y l i n d e rs l i d et o i m p r o v et h ed y n a m i cp r o p e n i e so ft h es y s t e m t h eo t h e rr o l et h em r fd a m p e rp l a y si st o s t a b i l i z et h es y s t e mo p e r a t i o np o i n ta n dt ok e e pt h es y s t e mv a r y i n gp a r a m e t e r sw i t h i nas m a l l r 雏g e h e r e ，t h eo p e r a t i o np r e m i s eo fp i di sm l f i l l e d ，a i l dt h ep i d sp r o f i to fs i m p l i c i t y e a s yt u n i n ga n dr e l i a b i l i t yc o u l db et a k e nt os e tu pc o n t r o l l e rt 0c u r bp n e u m a t i cc y l i n d e r p o s i t i o n i n gc o m r o ls y s t e m 。 t bs o l v e 行i c t i o n - c a u s e dc h a t t e r i n ga r o u n dt h et a 唱e tp o i n t ，t h e 衔c t i o nc o m p e n s a t i o n m e t h o di sa d o p t e d t h ec o m p e n s a t i o ni sb a s e do nt h ec e r t a i nm n c t i o na b o u t 行i c t i o na n d v e l o c i t y o n l yc o u l o m b 仔i c t i o ni sc o m p e n s a t e d 锄dl e a v e st h ev i s c o u s 仔i c t i o nt os e r v ea sa b e n e f i c i a lf a c t o rt ot h es y s t e md y n a m i c s s i m u l a t i o nr e s u l t ss h o wt h em e t h o di se m c i e ma ta n yp o s i t i o no ft h ec y l i n d e rs t r o k e 锄d a9 0 0 dr e s u l tl l a sb e e na c h i e v e di nt h ep n e u m a t i cl i n e a rc y l i n d e rp o s i t i o n i n gc o m r 0 1 k e yw o r d s ： l i n e a rp n e u m a t i cc y l i n d e rp o s i t i o n i n gc o n t r o l ；p r o p o r t i o n a lp r e s s u f ev a l v e ； o p e r a t i o np o i n t ；v i s c o u sr e s i s t a n c ea d j u s t m e n t ；p i dc o n t r o l 基于比例压力阀的直线气缸位置控制研究 插图索引 图2 1 气动系统组成简图8 图2 2 用伺服阀组成的气动系统示意图9 图2 3 用比例阀组成的气动系统示意图1 0 图2 4 用开关阀组成的气动系统示意图1 0 图2 5 两个比例阀反向工作原理1 1 图2 6 基于比例压力阀的直线气缸位置控制的系统组成示意图1 2 图2 7 无杆气缸的结构简图1 3 图2 8 电气比例压力阀的结构原理图1 4 图2 9 比例方向阀的原理框图o 1 4 图2 1 0 比例压力阀的电压压力特性1 5 图2 1 l 珀3 1 2 1 2 0 2 型比例压力阀的流量特性曲线图1 5 图3 1 基于比例压力阀的直线气缸位置控制的原理图2 2 图3 2 磁流变液工作机理2 3 图3 3 阀式工作模式2 4 图3 4 剪切工作模式2 4 图3 5 挤压流动工作模式2 4 图3 6 磁流变阻尼器的结构原理图2 5 图3 7 摩擦力模型1 2 9 图3 8 摩擦力模型2 2 9 图3 9s t 曲e c k 模型3 0 图3 1 0 简化摩擦力模型3 1 图3 1 1d g p 无杆气缸的摩擦力特性曲线3 l 图3 1 2 气缸摩擦力的数学建模图3 8 图3 1 3 子系统6 气缸摩擦力模块3 8 图3 1 4 气缸活塞力平衡方程数学建模图3 9 图3 1 5 子系统0 5 气缸活塞力平衡方程模块3 9 图3 1 6 气缸进气腔流量方程的数学建模图4 0 图3 1 7 子系统0 3 气缸进气腔流量方程模块4 0 代 硕士学位论文 图3 1 8 气缸排气腔流量方程的数学建模图4 1 图3 1 9 子系统0 4 _ _ 气缸排气腔流量方程模块4 l 图3 2 0 进气阀口压力流量方程的数学建模图4 2 图3 2 1 子系统o l 阀进气口压力流量方程模块4 2 图3 2 2 阀排气口压力流量方程的数学建模图4 3 图3 2 3 子系统0 2 阀排气口压力流量方程模块4 3 图3 2 4 开环控制系统建模图4 4 图3 2 5 开环控制系统封装图4 5 图3 2 6 电一气比例压力阀控直线气缸位置伺服系统的结构图4 7 图3 2 7 口3 1 2 1 2 0 2 型比例压力阀的压力一流量特性曲线图5 0 图3 2 8v 】珀3 1 2 1 2 0 2 型比例压力阀的电流压力特性5 1 图4 1p d 控制系统原理框图一5 8 图4 2p d 控制的闭环伺服系统方块图6 l 图4 3 摩擦力补偿原理图一6 2 图4 4 分段控制原理方块图一6 3 图4 5 系统b o d e 图6 4 图5 1 仿真实验原理图6 5 图5 2 改变k 时的单位阶跃响应6 7 图5 3 改变k 时的方波跟踪响应6 9 v 基于比例压力阀的直线气缸位置控制研究 表格索引 表格2 1 无杆气缸的技术参数1 3 表格2 2v 】三p 3 1 2 1 2 0 2 型比例压力阀的技术参数1 6 表格4 1p 控制优缺点6 0 兰州理工大学学位论文原创性声明和使用授权说明 原创性声明 本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所取得的 研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包含任何其它个人或 集体已经发表或撰写的成果作品。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后果由本人承担。 作者签名： 弛支涛 日期：研年歹月2 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。本人授权兰州理工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。同 时授权中国科学技术信息研究所将本学位论文收录到中国学位论文全文数据 库，并通过网络向社会公众提供信息服务。 作者签名：拷变涛 导师躲。彬 日期：历衅月日 日期：o7 年厂月7 山日 硕士学位论文 第1 章绪论 气动技术是以压缩气体为工作介质进行能量和信号的传递，从而实现生产过 程自动化的一门技术，是流体传动及控制技术的一个重要分支。 1 1 直线气缸位置控制技术的发展 早期的气动位置控制只能实现负载在气缸两端点的定位，无法实现其它点的 定位。随着技术的发展，人们开始从执行部件结构上着手，通过增加一些装置， 可以将负载停止在某一特定位置，并且能保证一定的定位精度。同时，一些简单 的位移传感器开始用于位置控制中，可实现一次性到位的简单位置控制。这些控 制都属于开环控制，精度较低，仅能用于非连续的位置控制，难以实现高精度的 连续的位置控制。 1 9 5 6 年，美国的s h e r a e rj l 提出了基于气缸中点微小变化的线性化模型【1 1 ， 为气动位置控制的发展奠定了坚实的基础。并首次以航天飞行器排出的高温、高 压气体作为工作介质，设计了气动伺服系统用来调控飞行器飞行姿态。 上世纪6 0 年代人们继续进行气动系统建模的研究，并以传统控制理论为基 础开展控制器的研究，但由于气动伺服系统介质的可压缩性、密封引起的摩擦力、 固有频率低、阻尼比小、刚性差、控制的及时性差和严重的非线性等缺点，这些 都给系统的控制和补偿造成了很大的困难。因此，直到六十年代后期以前，气压 伺服控制技术未能像液压伺服控制技术那样得到迅速的发展，应用实例也很少见 1 2 】 o 上世纪7 0 年代，研究人员开始尝试用计算机控制技术解决气动伺服控制方 面的难题，但当时市场上可买到的气动伺服阀的动态和静态特性通常都比较差【3 1 ， 难以满足控制要求。 上世纪8 0 年代，随着计算机、传感器技术的发展和低摩擦气缸及价格较低 的气动比例阀面世，气动连续的位置控制得以实现；但当时的控制方式还不够完 盖 口o 上世纪9 0 年代，研究人员在气动控制策略上进行了很多的尝试。其中包括 p i d ( p r o p o r t i o n a lp l u si n t e g r a ip l u sd e r i v a t i v e ) 控制、比例+ 速度+ 加速度 基于比例压力阀的直线气缸位置控制研究 ( p v a ) ( p r o p o r t i o n a lp l u sv e l o c i t yp l u sa c c e l e r a t i o n ) 控制、脉宽调节( p w m ) ( p u l s e w i d t hm o d u l a t i o n ) 控制、自适应控制、鲁棒控制、滑模控制等。很多用于电器和 液压的控制方法被用于气动位置控制。9 0 年代后期，一些更先进的控制策略，如 模糊控制、学习控制和神经网络控制被用于气动位置控制，控制性能显箸提高， 成型的位置控制产品的控制精度达o 1 m m 【4 1 。 1 2 直线气缸位置控制技术的研究现状 气动位置伺服控制系统的研究可分为二个方面：一方面是研究如何建立气动 位置控制系统的精确模型；第二方面是对元件和气动系统的研究。 1 2 1 气动位置控制系统的数学模型的研究 1 2 1 1 气动位置控制系统的线性模型 气动系统机理建模的研究开始于上世纪5 0 年代，文献【2 8 】对此进行了详细 论述。国外学者的研究比较早，美国的s h e a r e rj l 首先提出了基于气缸中点微小 变化的线性化模型【1 1 ，并首次以航天飞行器排出的高温、高压气体作为工作介质， 设计了气动伺服系统用来调控飞行器飞行姿态获得成功，为气动位置控制的发展 奠定了基础。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 w 发展了s h e a r e rj l 的模型【引，使它能适用于气缸的各个位置，然而b u r r o 删是假 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 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【1 0 】，但忽略了气缸的摩擦力。所有这些线 性模型都不适用于操作点可变的情况，而且只在固定点做微小对称变化时有效。 虽然如此，基于这些线性模型，应用经典控制理论的方法，气动位置控制取得了 一定的成绩。至今还仍是气动位置线性模型的基础。 1 2 1 2气动位置控制系统的非线性模型 1 9 9 6 年m c d o n e l l 针对三自由度机器人，根据s h e a r e rj 1 二和l i u 和b u r r o w 的方法，进一步辨识了气动伺服阀的压力流量特性参数，用曲线拟合的办法得出 系统的非线性模型【1 1 l ，并依此模型为基础设计了非线性控制器。此后非线性控制 2 硕士学位论文 器都是以此模型为基础设计。 2 0 0 1 年、a n g 等人将气动系统连接管道及气缸的摩擦力不均分布等因素纳入 非线性模型【1 2 1 。 b o b r o w 和j a b b a r i 的研究【1 3 】表明气动系统动态方程的阶次是随气缸的位置变 化的。由于气动系统介质的可压缩性、非线性摩擦力和阀口压力流量特性的强非 线性，其数学模型极为复杂，到目前为止，所有模型都是在特定假设条件下得到 的，使用时均具有一定偏差。 1 2 2 元件和气动系统的研究 1 2 2 1 元件的研究 1 9 7 9 年，西德a a c h e n r w 工业大学成功地研制出第一台气动伺服阀，使气 动伺服控制技术获得了新的发展【l 。 进入了8 0 年代后，现代控制理论和微电子技术( 特别是计算机技术) 迅速 发展，为电气伺服控制技术的发展奠定了基础。发达国家竞相投入相当的人力物 力从事该项研究，并取得了较大的发展。国外各大著名的气动元件生产厂家，如 s m c 、f e s t o 、h e r i o n 、m a r t o n a i r 、b o s c h 及小金井等公司相继成功开发了电气 比例阀或电气伺服阀，并已投入市场。在国内，浙江大学有四种电气比例阀或 电气伺服阀通过了技术鉴定，北京机床研究所也研制开发了电气比例阀，这都 为气动技术的发展奠定了基础。 1 2 2 2 气动系统的研究 8 0 年代初，t 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。随之，关于开关阀控气动伺服控制系统便应运而生。开关 阀系统以高速开关阀作为控制元件，与计算机接口方便，成本低，但其存在噪音 大、寿命不足等问题，近年来发展较慢，一直处于试验研究阶段。研究较多的系 统有脉宽调制( p w m ) 系统和脉码调制( p c m ) 系统；而，如脉幅调制系统、脉频调 制系统、脉数调制系统等研究相对较少。 其中，关于p w m 系统的研究，文献 1 4 】简述了其基本原理、性能和应用情 况。文献【15 】从分析其数学模型入手，讨论了气动伺服系统设计时需要注意的问 3 基于比例压力阀的直线气缸位置控制研究 题，并且用试验验证了所建立的数学模型，为后来气缸位置伺服系统的控制建立 了理论基础。随后，北京工业大学的张慧慧等人以p w m 驱动快速开关阀构成的 电气伺服系统，通过选用改进的p i d 控制策略，获得了很高的定位精度和重复 精度【1 6 】。而巨全电子科技有限公司夏巍等人综合考虑脉宽调制式气动伺服系统的 性能要求、控制器的简单性和单片机实现的可能性等因素，提出了一种变结构控 制方法，即依据偏差的大小，分别采用b a n g b a n g 控制、非线性p i d 控制和非线 性微分反馈控制，该方法可由单片机实现【1 7 】。同时，哈尔滨工业大学的刘庆和教 授领导的课题组对气动p w m 控制也进行了研究，获得了o 0 9 。的气动马达转角 位置精度；日本的则次俊郎将p w m 开关伺服控制用于气动系统，获得了o 0 6 m m 的定位精度；小山纪等人用2 个开关阀实现了广义p w m 控制，获得了o 0 2 m m 的高精度【1 8 】。 关于p c m 系统的研究，日本的则次俊郎第一个将p c m 控制技术应用于气动 系统，并成功用p c m 方式控制了英国p e n d a r 公司的3 自由度机器人。他获得的 定位精度约为o 2 5 m m 。沈阳工业大学的郑学明在文献【1 9 】中介绍了气动p c m 控制的基本原理，提出了一种气动p c m 位置伺服系统，他把数字p i d 技术应用 于该系统，仿真和试验结果表明：p i d 控制能有效地改善系统的性能，重复定位 最大误差小于o 3 m m 。王宣银博士首次提出变增益p c m 控制，并利用自校正、 自学习控制算法，获得了o 1 8 m m 的定位精度【2 0 1 。 近年来，伴随着微电子技术的迅速发展，包括德国f e s t o 、日本的小金井气 动公司和s m c 公司都成功地研制出各种新型的电一气比例方向阀和压力阀，其为 新的气动伺服控制注入了新的生命。例如：日本的k a n v at a n a k a 等人利用比例 压力阀组成气动伺服系统，利用带神经网络的模型参考自适应控制策略获得了 o 0 8 m m 的气缸位置控制精度【2 1 1 。而s h u n i n g 等人利用比例方向阀组成系统， 利用带摩擦力补偿的p v p v 控制策略获得了o 0 1 m m 的气缸位置控制精度【2 2 1 。 f e s t o 公司更是根据模糊控制理论，成功地设计生产出一种达到了工业实用 化的气动伺服定位控制器一一s p c i 0 0 2 0 0 智能控制器【2 3 ，2 4 1 。该控制器采用了非线 性状态反馈控制策略，获得了令人满意的动态和静态特性。特别是由于在该控制 器中加入了大量通过理论分析和实验研究获得的最佳控制参数预测和自适应算 法，使得用户能很方便地自行对系统操作和调整。用户只需要输入最基本的元件 尺寸和运行数据( 如气缸缸径和行程，负载质量和工作压力等) ，s p c 2 0 0 即可自 4 硕士学位论文 行完成反馈参数计算和优化，用户不必掌握复杂的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。例如：f e s t o 加拿大分公司应用m p y e 5 1 8 伺服阀、s p c i o o 控制器和无杆气缸d g p 5 0 6 0 0 p p v - a 组成气动伺服系统机器 人，定位精度达到了o 2 m m 【6 1 。 另外，意大利的g b e l f o r a t e 等人将机车制动技术引入了气动机构，设计了一 种带抱闸的气缸，用来实现在目标位置的定位，其定位精度约为o 3 m m 【1 8 】。 t a k a s h im i y a j i m a 等人将气动轴承技术引入伺服阀和气缸，使整个气动系统摩擦 力的影响可忽略，从而极大地改善了气缸的位置控制【2 ”。日本的h m a r i a k a 等人 利用带气动轴承的气缸和压力比例阀构成气动伺服系统，并解决了控制阀和气缸 安装距离变化引起的控制问题，其获得了o 1 3 m m 到o 0 4 m m 的定位精度f 2 6 1 。 哈尔滨工业大学的蒋丹，包钢，李松晶，李军等人将磁流变阻尼器用作气缸 位置控制的制动装置，使用普通开关阀组成气动位置控制系统，结构简单，易于 和计算机结合形成智能化控制。 1 3 课题的目的和意义 气动技术作为工业自动化领域的一个重要分支，由于其自身结构紧凑、价格 低廉、节能、无污染以及操作方便等优点，被广泛应用于自动化生产线、机械臂、 食品及纺织机械、医疗器械、包装设备等多个领域，并且越来越受到人们的重视 1 2 7 】 o 目前，成熟应用的气动技术的主要应用限于程序动作的逻辑控制系统，即利 用电磁开关完成的开环控制。由于非线性摩擦力和气体的可压缩性等因素的影 响，使得气动系统的精确控制( 即气动伺服系统，如对负载位置、速度和力的精 确控制等) 极其困难。为了消除阻碍气动伺服系统广泛应用的技术瓶颈，充分发 挥气动技术的潜能，各国学者都在积极地开展这方面的研究工作，气动伺服技术 己成为当今一个非常热门的研究领域。 通过多年的研究，人们对气动位置伺服控制系统的复杂性有了一定的认识， 逐步找出了影响其性能的一些主要因素，并且相应提出了各种形式的控制方案。 然而，就最终达到的效果而言，到目前为止，除了f e s t o 公司根据模糊控制理论， 成功地设计生产出一种达到了工业实用化的气动伺服定位控制器一一 s p c i 0 0 2 0 0 智能控制器的产品外，尚无稳定可靠的高性能气动位置控制系统 5 基于比例压力阀的直线气缸位置控制研究 【2 3 ，2 4 1 。如何获得具有实用性的气动位置伺服系统，己成为当前的主要研究方向。 气动技术在我国起步较晚，气动元件的质量、品种以及技术水平与国际先进 水平有较大差距。改革开放以来国内良好的经济发展势头促进了气动行业迅速发 展，对气动产品的需求也越来越大，尤其是近年来制造业的发展，对气动位置伺 服控制系统需求越来越迫切。但是由于技术上的差距，我们的控制技术仍局限于 简单的开关控制，缺少性能更高的位置控制系统产品。针对这种现状，目前国内 对气动伺服系统的研究应用正在逐渐展开。 因此，致力于气动伺服系统的研究，既是气动技术本身发展的需要，又是经 济发展的需要，具有重要的理论和现实意义。本文针对气动位置伺服系统存在的 问题，寻找合适的解决的方案，以求得到较好的控制效果。这对推广气动伺服技 术在工业生产中的应用和建立气动伺服系统设计理论及控制方法的完整体系，具 有重要的理论指导作用和工程实用意义。 1 4本文主要研究工作 本课题选用应定最广泛的普通直线气缸和价格适中的电气比例压力阀组成 的气动伺服系统为研究对象进行深入探讨；主要工作内容如下： ( 1 ) 基于比例压力阀的普通直线气缸位置控制系统的组成。 ( 2 ) 气缸的摩擦力研究与补偿。 ( 3 ) 磁流变阻尼器阻尼特性改造研究。 ( 4 ) 电一气比例压力阀的电压压力特性和压力流量特性研究。 ( 5 ) 系统数学模型的建立与仿真。 ( 6 ) 控制策略研究，确定合适的控制策略以期改善系统的控制性能，实现对普 通直线气缸活塞的快速、精确的位置控制。 ( 7 ) 最后总结本项课题的研究工作，同时指出本课题研究中尚存在的问题与不 足，并对今后的研究提出进一步的设想。 1 5 本研究工作的创新点 ( 1 ) 对磁流变( m r f ) 阻尼器引入了速度反馈，进行了阻尼特性改进，使其阻尼力具 有粘性力的特点且可控。 6 硕士学位论文 ( 2 ) 将改进后的阻尼器，用于解决气动位置控制阻尼比低的问题，提高了动态响应， 减小了震荡，稳定了被控对象工作点。这能给系统的控制带来以下益处：为被控对象 模型在工作点附近小范围线性化提供了必要条件，从而使得到的线性化模型能更准确地 反映被控对象的变化规律。避免了p d 控制对参数变化适应能力差的不利影响，从而 就可以采用结构简单、调节方便、工作可靠的p d 控制器对所建被控对象进行控制。 ( 3 ) 对被控对象的运动过程采用分段变阻尼的控制方法。即在离目标位置距离较大 时，使磁流变) 可控阻尼处于低阻尼态，快速接近目标，以实现快速性的要求；在 离目标的距离小于等于某设定值时，将磁流变唧) 可控阻尼器励磁电流接通，为系统 加入适当阻尼，以达到快速、节能的目的。 7 基于比例压力阀的直线气缸位置控制研究 第2 章直线气缸的位置控制系统 2 1 基于比例压力阀的直线气缸的位置伺服系统 2 1 1 气动控制系统的一般组成 如图2 ，1 所示，气动控制系统一般由稳压气源、气动执行元件、电气控制 元件、控制器、传感器和接口电路组成。 图2 1 气动系统组成简图 ( 1 ) 气动执行元件常用的有：摆动气缸、气爪、气马达、气动肌腱等。气动执 行器件是气动伺服技术的关键部件之一。其中用的最为普遍的是直线气缸。早期 的气缸主要完成开关控制，摩擦力较大、动态特性差。自上世纪九十年代起，新 型气动执行元件不断涌现：通过密封的改进出现了低摩擦气缸f 2 l ；通过改变气缸 的截面形状来防止活塞转动的扁平气缸；及磁性耦合式、机械耦合式无杆气缸可 减少安装空间。采用新型弹性材料制成的仿生气动肌肉及由气动肌肉构成的仿生 手臂，它具有结构简单、无需润滑、摩擦力小、拉力大、价格低等优点，具有很 好的发展前景【2 8 】 ( 2 ) 气动控制系统中，传感器一般指：位移传感器、速度传感器、加速度传感 器和压力传感器。 ( 3 ) 气动控制系统中，接口一般电路指：控制器与控制元件的接口电路、控制 器与传感器之间的接口电路【2 9 ，30 1 。 ( 4 ) 控制器一般指：计算机、单片机或可编程控制器等控制器件。另外，文献 【31 】中采用d s p 芯片作为气动伺服系统的控制器，也获得了较好的控制效果。控 制器是气动位置控制的核心，它可将传感器送来的状态信号依照某一特定控制算 8 硕士学位论文 法给出控制信号。随着计算机及软件技术的发展，使得将大运算量的算法用于实 时控制成为可能，如神经控制、模糊控制、遗传算法、专家控制等等，这一点对 改进气动伺服系统的动态性能是极其重要的【3 2 1 。 ( 5 ) 电气控制元件主要包括：电气伺服阀、电- 气比例阀和电气开关阀等电一 气控制元件是气动伺服技术的关键元件。 2 1 2 常见的气动位置控制系统 2 1 2 1 用伺服阀组成的位置控制系统 早期电气控制元件主要是电气伺服阀，它借鉴了电液伺服阀的原理，如采 用动圈式力马达或动铁式力矩马达及喷嘴挡板结构伺服阀。气动伺服阀的频宽较 高，响应速度快，性能最好，但由于气动伺服阀结构复杂、价格昂贵、使用条件 苛刻，一般的应用场合应用较少。用电气伺服阀构成的位置控制系统一般组成如 图2 2 所示： 图2 2 用伺服阀组成的气动系统示意图 2 1 2 2 用比例阀组成的位置控制系统 电气比例阀指应用比例电磁铁技术的流量或压力控制阀。电气比例阀与电 气伺服阀相比其结构大为简化。它具有成本低、抗气源污染能力强等优点。造价 相对于伺服阀要低廉得多。近年来气动比例阀发展很快，许多公司都推出了商品 化的电一气比例阀，如s m c 、f e s t o 、b o s c h 、s c h u l t z 等公司。s m c 公司己推出 了十多个品种的气动比例阀，如v e p 系列的压力比例阀，采用滑阀式结构，比例 电磁铁驱动，响应时间低于5 0 m s ，线性度为3 ，精度为o 5 f e s t o 公司推出 的m p y e 系列电气比例伺服阀其频响可达15 0 h z ，放大驱动电路被集成在阀体 内，结构简单、精度高、动态特性好。基于比例阀的伺服系统是发展最快的气动 9 基于比例压力阀的直线气缸位置控制研究 伺服系统【3 3 35 1 。用电气比例阀构成的位置控制系统一般组成如图2 3 所示： 图2 3 用比例阀组成的气动系统示意图 2 1 2 3 用开关阀组成的位置控制系统 电气开关阀控制系统以高速开关阀为控制元件，其特点是利用计算机输出的 脉冲调制信号经放大后，能得到近似连续的脉动流量和压力数字信号来驱动开关 阀控制执行元件。由于气动执行元件具有良好的低通滤波特性，所以尽管输入为 脉冲调制信号，但仍能得到平滑的输出。由于开关阀具有开关速度快和结构简单 等特性，所以开关式电一气伺服系统具有频响较高、抗干扰能力强、结构简单、成 本低廉和环境要求低等优点。但由于开关阀始终工作在开或者关的状态，存在一 定的开关死区，所以容易在平衡点的附近产生极限振荡，同时开关阀系统存在噪 音大、开关阀寿命不足等问题，近年来发展较慢，一直处于实验研究阶段。若能 解决上述几个关键问题，则应用前景较好。研究较多的开关阀系统有脉宽调制 ( p w m ) 系统和脉码调制( p c m ) 系统，另外如脉幅调制系统、脉频调制系统、脉数 调制系统等则研究较少。用电气开关阀构成的位置控制系统一般组成如图2 4 所 示： 图2 4 用开关阀组成的气动系统示意图 l o 硕士学位论文 2 1 3 基于比例压力阀的直线气缸位置控制的系统组成 由于气体的可压缩性，气压伺服具有固有频率低，阻尼不足的弱点。由此本 文采用基于比例压力阀的位置控制，系统组成如图2 6 所示。这种结构形式最大 的特点是：在气缸平衡时，气缸两腔的压力可以预先设定。这样就可以适当提高 气缸平衡时的压力，把工作点的压力p o 选得高一些，以增加系统的刚度，稳定静 态工作点，提高系统的固有频率，从而提高响应速度。同时在气缸滑台上接上磁 流变阻尼器，配以合适的控制策略，提高系统阻尼，减小系统的震荡，改善系统 的动态特性。 这种结构的另一个优点就是系统增益较高。因为工作点压力设定为p o 后，两 个型号完全相同的比例压力阀就对应有一个静态工作沌流i o ，当有输入电流i 时， 两个比例压力阀在设定静态工作点电流i o 的基础上反向变化，原理如图2 5 所示： 图中： 输 图2 5 两个比例阀反向工作原理 凹= 互一罡= 2 砗歹( 2 1 ) 厶一一比例阀l 的输入电流； 厶一一比例阀2 的输入电流； ，一一两个比例阀的输入电流； 厶一一两个比例阀的电流静态工作点输入电流。 显然压力增益提高一倍。 基于比例压力阀的直线气缸位置控制研究 图2 6 基于比例压力阀的直线气缸位置控制的系统组成示意图 2 2 气动系统的组成元件 直线气缸位置控制系统主要由气缸、控制元件、控制器、稳压气源、气动附 件等组成，现分述如下： 2 2 1 气缸 直线气缸用于将气体压力能转变为机械能、提供直线运动的执行器。直线气 缸是应用最为广泛的气动执行元件，它具有结构简单、维护方便、运动速度快等 特点。目前，直线气缸产品众多，分类方法众多，一般按驱动方式可分为：单作 用气缸、双作用气缸和组合气缸。按功能结构可分为有杆气缸和无杆气缸等等。 有杆气缸可分为：单杆气缸和双杆气缸。 作为实验研究，本文拟选用新型的无杆气缸作为研究对象，它具有使用方便、 节省空间的特点。普通无杆气缸的结构，如图2 7 所示，其利用压缩空气使活塞 向两个方向运动，