（机械电子工程专业论文）气动比例位置控制系统及其在二自由度工作台中的应用研究.pdf

上海大学硕+ 学位论文 摘要 气动系统以其价廉、结构简单、操作方便等特点，在工业自动化中得到愈来 愈广泛的应用。气动伺服控制技术作为一种自动控制手段，在众多的工业领域中 已经成功地获得了应用。本文在对气动比例位置控制系统的特性进行研究的基础 上，通过对控制策略的理论和实验研究，实现了二自由度气动平台的位置控制。 本文首先根据气体热力学方程和动力学方程建立阀控缸系统的数学模型，运 用l a b v i e w 辨识工具箱对实验系统进行模型辨识。在此基础上，对气动比例位 置控制系统进行了相应的控制策略研究，设计了模糊自适应p i d 控制器，加、 d a 采集卡对数据采集，传感器检测气缸活塞的实时位置，从而利用气动伺服定 位系统的p i d 增益算法，调节不同的比例、积分、微分系数，实现控制效果。 然后介绍了硬件实验台的结构，着重论述了控制系统的组成部件及性能参 数。利用图形化编程工具l a b v i e w 编制了控制界面，根据设计的控制算法编制 了控制程序，实现了平台二自由度运动，通过实验数据，论证控制算法的可行性， 对实验现象及参数影响因素进行了讨论。最后概括本文的主要工作，对研究成果 进行了总结并提出了展望。 关键词：气动比例位置控制，l a b v i e w ，模糊p i d ，二自由度数控气动平台 v 上海大学硕士学位论文 a b s t r a c t a sak i n do fh i 曲p e r f o r m a n c et oc o s t ，s i m p l ei ns t r u c t u r ea n de a s yt oo p e r a t e s y s t e m ，p n e u m a t i cs y s t e mi si n c r e a s i n g l yw i d e l yu s e di n 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 cs e r v oc o n t r o lt e c h n o l o g ya sam e a n so fa u t o m a t i cc o n t r o lh a sm a n y i n d u s t r i a ls u c c e s s f u la p p l i c a t i o n s i nt h i sp a p e r , b a s eo nt h es t u d yo fp 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 mc h a r a c t e r i s t i c s ，t h et h e o r yo ft h ec o n t r o ls t r a t e g y a n de x p e r i m e n t a lr e s e a r c h ，p o s i t i o n i n gc o n t r o lo ft h et w o d e g r e e - f r e e d o mp n e u m a t i c p l a t f o r mh a si m p l e m e n t e d i nt h i sp a p e r , f i r s to fa l l ，a c c o r d i n gt ot h et h e r m o d y n a m i ce q u a t i o na n dd y n a m i c e q u a t i o n s ，d e r i v a t eam a t h e m a t i c a lm o d e lo ft h ev a l v e c y l i n d e rs y s t e m ，a n di d e n t i f y t h em a t h e m a t i c a lm o d e lo ft h es y s t e mb ya s s i s t a n to fl a b v i e ws y s t e mi d e n t i f i c a t i o n t o o l k i t o nt h i sb a s i s ，r e s e a r c ho nc o r r e s p o n d i n gc o n t r o ls t r a t e g yf o rt 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 n c o n t r o ls y s t e m ，a n dt h e nd e s i g na na d a p t i v ef u z z y - p i d c o n t r o l l e r ：a d ，d aa c q u i s i t i o nc a r df o rd a t aa c q u i s i t i o n ，s e n s o r sd e t e c tt h er e a l - t i m e l o c a t i o no fc y l i n d e rp i s t o n ，u s i n gp i dg a i na l g o r i t h mo fp n e u m a t i cs e r v op o s i t i o n i n g s y s t e m ，i m p l e m e n tp o s i t i o n i n gc o n t r o lb yc o n d i t i o n i n gt h ep r o p o r t i o n a l ，i n t e g r a la n d d i f f e r e n t i a lc o e 伍c i e n t s t h e nt h eh a r d w a r ec o m p o s i t i o n sa r ei n t r o d u c e db yf o c u so nt h e i rp e r f o r m a n c e p a r a m e t e r sa n dc h a r a c t e r i s t i c s w i t ht h eh e l p o fg r a p h i c a lp r o g r a m m a b l ea i d s l a b v i e w , t h ep a p e rc o m p i l e sc o n t r o li n t e r f a c e a c c o r d i n gt od e s i g n e dc o n t r o l a l g o r i t h m ，c o n t r o lp r o g r a mi sc o m p l i e da n dt w o d e g r e e f r e e d o mp l a t f o r mm o t i o ni s r e a l i z e d t h ee x p e r i m e n t a ld a t ad e m o n s t r a t et h ef e a s i b i l i t yo fc o n t r o la l g o r i t h m ，a n d t h e ne x p e r i m e n t a ls i t u a t i o na n dp a r a m e t e r si n f l u e n c i n gf a c t o r sa r ed i s c u s s e d f i n a l l y , t h em a i nw o r ko f t h i sp a p e ri ss u m m a r i z e d ，a n dt h ep r o s p e c ti sp u tf o r w a r d k e y w o r d s ：p n e u m a t i cp r o p o r t i o n a lp o s i t i o nc o n t r o l ，l a b v i e w ：f u z z y - p i d ， p n e u m a t i ct w o d e g r e e - f r e e d o mn cp l a t f o r m v i 上海大学硕士学位论文 原创性声明 本人声明：所呈交的论文是本人在导师指导下进行的研究工作。 除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已发表 或撰写过的研究成果。参与同一工作的其他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。 本论文使用授权说明 期：掣 本人完全了解上海大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学 校有权保留论文及送交论文复印件，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。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 签名：嗜、发纸 导师签名：三过日期：掣 u 上海大学硕士学位论文 1 1 课题研究的背景 1 1 1 气动技术的发展概况 第一章绪论 气动( p n e u m a t i c ) 是“气动技术”的简称。气动技术以空气压缩机为动力 源，以压缩空气为工作介质，配合气动控制系统的主要气动元件，与机械、液压、 电子等部分或全部综合构成系统，进行能量传递，转换并实现自动控制。气动技 术主要有两个方面，即气动传动和气动控制。 人们利用空气的能量完成各种工作的历史可以追溯到远古，但作为气动技术 应用的雏形，大约开始于1 7 7 6 年j o h n w i l k i n s o n 发明能产生1 个大气压左右压力 的空气压缩机。1 8 8 0 年，人们第一次利用气缸做成气动刹车装置，将它成功地 用在火车的制动上【l 】。2 0 世纪3 0 年代初，气动技术成功地应用于自动门的开闭 及各种机械的辅助动作上。6 0 年代，气动元件开始用于工业控制系统，阀由气 动或手动控制，此时的技术完全是气动技术。对于行程控制也只限于定位控制。 7 0 年代，随着电子领域的重大发展，电一气技术也得到了很大发展。通过气动 技术与电的结合可以实现比较复杂的顺序控制，也能进行多位控制，但是机构都 比较复杂【2 】。 8 0 年代则是集成化，微型化的时代，微处理器应用于控制技术，最终使气 动伺服系统控制成为可能。应用气动伺服系统，根据事先设计好的程序，配置一 些传感器进行反馈，基本上能实现任意点位置的控制。世界著名的气动元件生产 厂家f e s t o 在8 0 年代最先发明并引用了阀岛技术【3 1 。阀岛技术的优点非常明 显，它表现在：气动一电控的设计、安装和调试过程大为简化；最大限度的缩短 气动执行器件与控制器件之间的控制管道长度，从而使用更小的通径的气阀可以 达到预定的机器节拍要求，减少能源消耗，有效地提高气动系统的效率和降低设 备投资；大幅度减轻各设备的维修工作量。图1 1 为f e s t o 阀岛v t s a 和 v t s a f ( 压力调节关断板) 。 l 海大学硕t 学位论文 蝉i 卜 冬 “i ： 幽1 1f e s t o 阅岛v t s a 刺v t s a f ( 压力调节关断投) 9 0 年代，气动技术突破r 传统的死区，经历着飞跃性的发展。重复精度小 丁_ o0 1m m 的模块化气动输送机，5 r i g s 低速平稳运行及1 7 m s 高速运动的不同 气缸相继问世。在与计算机，电气，传感，通讯等集合的基础上产生，智能气动 的概念，如智能阀岛，模块化机械手等。气动技术与微电f 技术结台后，在计算 机或微处理机的控制下，它的应用领域得到进步拓宽。 近年来，随着新材料、微细加工等技术的引入类基于牛物肌肉运动原理 而设计开发出来的驱动器一气动人工肌肉( p n e u m m i c a r t i f i c i a lm u s c l e ) ，得到了 广泛的研究与应用，出现，各种可以商业化使用的气动柔性执行器。气动人工肌 肉简单的结构，巧妙的工作方式，独特的工作特性是其它气动执行元件所无法比 拟的【4 】。图1 2 为气动人工肌肉，它比较适合于夹紧技术、搬移技术、定位机 构、机器人、仿真技术、仿生平台机械口】。 蚓i - 2 气动人1 日【肉 气动技术和其他传动与控制方式相比有着自身的独特优势1 6 1 ，使得其发展 迅速，应用前景广阔。首先，气动技术的工作介质为空气，它取之不尽用之不竭， 啦牛鼢蕊 上海大学硕士学位论文 具有压缩性，便于储存，而且气体粘性小，也便于集中供气和远距离输送。第二， 气动系统的组装、维修以及元件的更换比较简单方便。第三，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，并具有过载保 护功能。第四，由于空气的物理性质稳定，所以环境适应性好，特别适用于易燃、 易爆、强磁、辐射等恶劣环境，且气动系统清洁，即使有泄漏，也不会像液压系 统那样污染产品和环境。第五，可靠性高，使用寿命长。所以在生产自动化和操 作程序化的要求下，气动技术在各行各业得到了越来越广泛的应用。 气动技术的应用主要有【8 】【9 】【1 0 】： ( 1 ) 汽车、轮船等制造业。现代汽车制造工程的生产线，尤其是主要工艺 的焊接生产线，几乎无一例外的采用了气动技术；高频率的点焊、力控的准确性 及完成整个工序过程的高度自动化，堪称是最具代表性的气动技术应用之一。 ( 2 ) 电子半导体、家电制造业。在彩电冰箱等家用电器的装配生产线上， 在半导体芯片、印刷电路等各种电子产品的装配流水线上，有各种形状不一、大 小不同的气缸、气爪实现硅片的搬运、元器件的插入与锡焊，还有真空吸盘将显 像管、纸箱，物料等轻轻吸住，送到指定的位置。 ( 3 ) 包装过程自动化。化肥、粮食、食品、药品等实现粉末、粒状、块状 物的自动化包装等许多工序，用于对粘稠毒气体( 如煤气等) 的自动计量灌装。 随着生产自动化程度的不断提高，气动技术应用面迅速扩大、气动产品品种 规格持续增多，性能、质量不断提高，同时陆续开发出适应市场要求的新产品， 使气动元件的品种日益增加，纵观世界气动行业的发展趋势，气动元件的发展方 向可归纳为：气动技术与机械技术的结合，向高质量、高精度、高速度、低功耗、 小型化、轻量化、符合集成化和机电一体化。另外气动元件与电子技术相结合， 向智能化方向发展，元件性能向着高频、高响应、高寿命、耐高温、耐高压方向 发展，普遍采用无油润滑，应用新工艺、新技术、新材料。 1 1 2 气动控制策略 在气动系统中，由于气体可以被压缩，气缸的运动经常随负载的变化而变化， 所以工作部件运动速度稳定性差。而且气动技术的执行部件气缸存在着摩擦，阀 口流动的非线性，给系统的伺服控制带来了很大的困难。随着现代控制理论的发 上海大学硕士学位论文 展，许多先进的控制方法应用于气动位置控制系统中。 从优化控制、p i d 控制到各种智能控制，专家研究者们都曾尝试在气动领域 里的应用研究。应用传统控制理论和智能控制来解决气动系统控制的问题，在过 去的几十年来出现了许多新的探索与研究，并将其中成熟的研究成果成功应用于 工业生产中。因此控制领域中的进展对于气动系统控制方法的发展起着关键作 用，并具有重大意义。下面简要介绍一下目前气动控制中应用的主要控制策略： 1 传统控制策略 传统控制策略建立在有精确的数学模型的基础上，是一种单回路线性控制方 法，基本上只适用于单输入一单输出控制系统，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 控制以及应用于多变量的解耦控制。p i d 控制是重 要的传统控制策略，属于相位滞后一超前串联校正，由于其算法简单、可靠性高， 被广泛应用于工业过程控制。p i d 控制器的设计往往采用试凑法，参数的整定可 以进行工程整定。常规的p i d 控制是建立在精确数学模型之上，对系统的非线 性、低阻尼、时变性以及无法得到精确的数学模型的控制对象，经典的p i d 控 制往往得不到满意的控制效果。近年来，出现了许多新型p i d 控制器，如智能 p i d 自整定控制器、变参数p i d 控制器、单神经元自适应p i d 等。对于复杂对象， 其控制效果远远超过常规p i d 控制。p i d 控制也是其他类型的控制方法的基础。 2 现代控制策略【1 1 】 现代控制策略主要用来研究多输入一多输出的被控对象，是基于时域概念在 经典控制理论基础上发展起来的，它以线性理论和状态空间方法描述系统的输 入、状态变量和输出关系等，克服了经典控制论用传递函数描述系统的不足，基 于现代控制理论的优化设计方法更适用于计算机语言和计算。其具有代表性的控 制策略有自适应控制，鲁棒控制，变结构控制以及预测控制等。目前应用现代控 制策略来控制气缸的位置和力的应用相当广泛，并取得了一定的研究结果。 3 智能控制策吲1 2 】【1 3 】【1 4 】 人工智能的研究发展迅速，以强有力的问题求解能力逐渐渗透各种领域中， 自动控制和人工智能的结合产生了智能控制，各种智能控制方法也应运而生，如 神经网络控制、模糊控制和专家控制等等。 神经网络基本思想是从仿生学的角度对人脑的神经系统进行模拟，使机器具 4 上海大学硕士学位论文 有人脑那样的感知、学习和推理能力。正是利用其具有的上述特点，神经网络可 用于做控制器、辨识器，使神经网络控制能对变化的环境( 外加扰动、量测噪声、 被控对象的时变性) 具有自适应性，且成为基本上不依赖于模型的一类控制。神 经网络和p i d 结合对基于比例阀的气动位置伺服系统进行控制，其效果比传统 的p i d 控制效果好，控制精度有了较大幅度的提高，系统的快速性也明显提高， 且在环境参数改变的情况下系统具有较强的自学习和自适应能力。 模糊控制是模仿人的思维方式来进行的，它根据技术人员的实际经验，运用 模糊逻辑推理，并借助于计算机实现的一种控制方法。模糊控制的优点是不需要 对象的精确模型，所以特别适用于时变系统及精确模型难以求取的控制对象；算 法简洁，它是一种简单的四则运算和查表工作，运算速度快；对被控对象的参数 变化不敏感，即鲁棒性好。缺点是它需要根据人们经验确定控制规则及其控制器 参数。如果人们对控制系统经验不足，则模糊规则制定不完善，控制精度也就不 会太高。所以该方法不能完全取代传统的控制方法，常应用在智能模糊p i d 控制 算法中。 1 1 3 气动比例伺服控制 在工业应用中，比例阀和伺服阀的区分并不严格。作为控制阀的功能，比例 阀和伺服阀是完全一致的【1 5 】：它们都是将电信号转换为气动信号，而两者的区别 在于阀的动态性能及其电一机械转换器的结构。 世界上各工业发达国家对气动比例伺服控制技术的理论研究已经有相当长 一段时间。1 9 7 9 年，德国a a c h e n w 工业大学w b a c k 教授研制出第一个气动伺 服阀，大大推动了气动伺服技术的发展【1 6 】- 。此后，德国、日本、美国等工业发 达国家投入大量资金和人力，成功地研制出各种规格的电一气比例阀和电一气伺 服阀以及高性能的气缸、气马达【l7 1 。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。m c d o n e l l 等对气压驱 动系统在单自由度机器人中的轨迹跟踪控制进行了研究【1 引。z h a o t 等对气缸进 出截流口的有效开口截面积变化对于气缸特性的影响进行了研究【1 9 】，x l i n 等 对无杆气缸的电气控制系统的建模进行了研究 2 0 】。目前的研究已经涉及到位置 伺服控制系统，力或压力伺服控制系统，位置和力的闭环控制，以及速度伺服控 上海大学硕士学位论文 制系统，德国f e s t o 、日本s m c 和小金井气动公司已经开发研制出气动位置伺 服控制系统。这些控制系统为气压伺服控制技术的推广奠定了坚实的基础。 随着气动比例技术的发展，越来越广泛地被应用在机器人的控制领域中【2 1 1 。 著名的有具有3 2 个气动执行器的u t a h m i t 气动机械手，从仿生学角度进行研究 的f e s t o 公司的六足步行气动机器人，t r o n x 气动机器人。国内浙江大学 流体传动及控制国家重点实验室研制的书法机械手。由于机器人或机械手都需要 能快速、准确地搬运重物，因而它们必须具有高精度，能快速反应，具备一定的 承载能力，足够的工作空间和灵活的自由度以及在任意位置都能自动定位等基本 要求。但是，在一般的工业应用中，由于工作压力比较低，气动比例系统具有明 显的固有频率低、阻尼小、严重非线性和刚度差的弱点，用传统的控制方法和模 拟调节器已经很难达到理想的控制效果，因而气动比例系统的研究也受到了很大 的限制。 我国对气动比例伺服技术的研究要晚于其它发达工业国家。周洪博士针对 电一气比例伺服位置控制系统的特点，设计了鲁棒控制器，并对此进行了仿真 和实验研列2 2 1 。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的“电气伺服系统及其电一气伺服器件的开发研究” 【2 3 1 。段运波等采用压力调节方式对气动脉宽调制位置伺服系统进行控制，消除 了气缸活塞定位时的振荡现象，取得了较好的实验效果【2 4 1 。在多自由度气动比 例伺服定位技术研究方面，浙江大学的陶国良博士研究了三自由度的电一气比 例伺服控制系统f 2 5 j 2 6 1 。他研究了气缸摩擦力的特性，对静动摩擦力进行了全 面的测试，提出了摩擦力数学模型，对最优状态反馈控制及p i 积分环节作了分 析研究，设计了电一气比例，伺服控制系统的摩擦力观测器及摩擦力前馈传递函 数，取得良好的轨迹跟踪效果。 近年来，随着机械工作精度、响应速度和自动化程度的提高，对气动控制技 术的要求也越来越高。气动技术与电子技术、传感器技术、计算机技术、现代控 制理论的结合更加广泛，无论在近期和未来，气动控制技术都会有创新的发展。 尤其是随着现代控制理论在气动比例系统中的应用，气动比例系统的性能得到了 极大的提高，为气动比例系统的实用化奠定了良好的基础。 6 上海大学硕士学位论文 1 2 课题意义及主要研究内容 作为前沿的产品和自动化设备更新的需要，气动伺服定位系统可以大量代替 单调往复或需要高精度的工作。近几年来，各国对气动伺服系统做了大量工作， 尝试各种控制方式和控制策略，以期达到提高系统的定位精度。本课题利用计算 机对气动位置控制系统进行控制的角度出发，在对系统组成、性能进行分析和研 究的基础上，引入先进的控制理论和控制手段，对该系统进行精确的数字控制方 法研究，并对气动在二自由度平台上的应用进行研究。通过本课题的研究，为气 动系统数字控制的实现提供一定的理论基础和有效的实现手段，为先进的控制方 法在实际中的应用提供一个基础性研究。可完成自动化控制技术在气动技术方面 的结合，为工程应用提供有益的借鉴，在气动系统控制方面具有一定的应用前景。 另外气动控制本身也是一个很有价值非常综合的教学实验，对气动伺服技术在工 业生产的应用和各种控制理论的学习应用，都具有重要的理论指导作用和工程实 用意义。 本课题研究的气动比例位置控制系统，是通过对气动比例方向阀的控制达到 在气缸任意点的定位，并与数控技术结合，对二自由度平台的运动轨迹进行跟踪。 利用阀控缸系统建立数学模型，同时进行仿真分析，运用a d 、d a 数据采集卡， 在l a b v i e w 环境下编写控制程序，完成计算机对系统的实时控制。传感器检测 气缸活塞的实时位置，从而经过气动伺服定位系统的p i d 增益算法，调节不同的 比例、积分、微分系数达到了自适应控制效果。 本论文力求寻找一种简单有效气动位置控制实现方法，并结合l a b v i e w 图 形化语言，设计可用于教学实验的交互界面。通过实验界面，实验者可以方便的 设计实验参数，对气动技术、自动控制、数控技术相结合实现从理论到实际应用 的突破。下面概括了文章的总要内容，以及各章节的安排： 第章提出了本课题的研究内容，描述了气动比例技术的发展和研究现状， 最后介绍本文的研究意义和要完成的丰要工作。 第二章详细介绍了阀控缸系统数学模型的推导过程，最终使用l a b v i e w 系 统辨识工具箱对动态系统模型进行辨识，得出一个系统数学模型。 第三章根据前一章得到的数学模型，在l a b v i e w 软件环境下进行系统仿真， 上海大学硕士学位论文 并分析传统p i d 控制和模糊p i d 控制两种控制策略，设计相应的控制器。 第四章首先介绍x y 二自由度气动平台控制系统的硬件实验平台，对组成 该系统的各个元件进行介绍和性能分析，以及在后面实验中硬件参数的处理，最 后介绍实验系统的软件设计。 第五章结合所设计的控制器，完成不同实验，并对实验结果进行比较，以验 证控制器的执行效果。结合数控技术插补原理，设计开发二自由度气动平台，实 现x y 平面上的轨迹跟踪。 第六章总结 总结本文的丰要研究结果和说明进一步的研究工作。 上海大学硕士学位论文 2 1 前言 第二章气动比例系统建模 气动伺服系统因其独特的优点被广泛应用于各种自动控制领域。但是由于工 作介质的可压缩性，易受温度变化的影响等特点，气体的各特征参数在系统的运 动过程中是变化的，气动系统本质上属于典型的非线性系统，所以对系统建立精 确的数学模型是比较困难的。但是在研究和设计气动比例系统的初始阶段，需要 根据初步确定的技术方案建立被控对象的数学模型，并且利用数学模型进行控制 方案的论证和选择、控制性能预测以及被控对象的结构参数优化。因此，本章通 过理论分析建立了气动比例系统的数学模型，通过系统辨识得到系统的参数模 型，为后面的研究分析奠定基础。 所研究的阀控缸伺服系统示意图如图2 1 所示： 1 2 3 图2 1 气动伺服系统组成示意图 1 一位移传感器2 一无杆气缸3 一比例方向阀 上图控制目的是实现无杆气缸活塞位移按给定规律变化。电阻式传感器检测 位移信号，它的输出电压随着测量的位置在0 6 - - l o v 之间连续变化，可以实现绝 9 上海大学硕士学位论文 对位移测量。比例阀的作用是用输出电压信号控制阀的流量，驱动气缸活塞动作。 a d 、d a 转换是由数据采集卡完成。 该系统的基本原理是：当给定的输入信号u r 大于反馈信号u f ，即a u 0 时，比例阀的左路接通，气缸左腔充气，推动活塞右移。气缸活塞的右移使反馈 电压信号u f 增大，电压偏差u 随之减小，如此反复，直至u 几乎等于零。 反之，当给定的输入信号小于反馈信号，即a u 眈，圪。 a v o ，乃。 乏，在计及其大小时可将增量略去，于是得到： 饥= 去( 4 警+ 争百, a p o ) ，( 2 - - 5 ) 同理，可得气缸b 腔的方程： 峨。= 志( 嘞。4 警+ 孚i d a p b ) (2-6) 上式括号中第一项的负号是因为圪= 一圪= 圪。一4 少得到，当活塞处于 平衡位置时，r o o = 瓦。= c ，于是( 2 - - 5 ) ，( 2 - - 6 ) 转化为： = 志( 砒警+ 争百d a p a ) ( 2 - - 7 ) 瓴。= 志( 咖4 警+ 等警) ( 2 - - 8 ) 2 2 3 比例阀的流量方程 在实际的电一气比例伺服控制系统中气体的流动过程十分复杂，气动元件 1 2 上海大学硕士学位论文 研究中使用理想气体等熵通过喷管的流动过程来近似代替。b o b r o w 和陶国良博 士基于s a n v i l l e 流量公式提出的修正流量公式【2 6 】【3 0 】： g m2 旦 c ，1 只 。 ( 2 9 ) 彳c ，：( 见嘞尝c ，- 当气体的流速大于等于声速，即马赫数m 1 ，气体处于临界状态，这时阀 口两端的压力满足堕c ，。 p s 当气体的流速小于声速，即马赫数m c r i 。 ps q ：可以根据q 。的两段函数的连续性求得。 式中，入为修正指数x = 0 2 5 ，c ，l = 0 6 8 。 当气缸左腔为充气过程，右腔为排气过程时，一般充气腔为亚声速流动状态， 排气腔为声速流动状态，对于本系统采用的f e s t o 公司的m y p e 型零开口比例阀， 其左、右两腔开口量相等，可用如下公式计算开口面积： a = 墨“+ 屯甜2 所以阀控缸气动伺服系统是通过控制阀的开口面积来控制气缸两腔进出流 量，开口面积是通过控制信号u 来改变的，在供气压力以为已知的情况下，流 经控制阀阀口处的气体重量流量与控制滑阀芯位置的电压u 和气缸内气体的压 力见( 或岛) 有关，其函数表达式可写成如下形式： g 一= 正( ”，成) l ( 2 - - 1 0 ) q 。6 = l ( u ，岛) j 将上式线性化，即可得出零位附近的压力流量特性： a q 瑚= k q l a u + 2 卸。 ( 2 1 1 ) a q 劢= k q 3 a u + k q 4 瓴 ( 2 1 2 ) 式中： 上海大学硕士学位论文 k - = 铲刮 铲剖锄。 铲刮如。 2 2 4 系统模型推导 ( 2 - - 2 ) ，( 2 7 ) ，( 2 8 ) ，( 2 - - 1 1 ) ，( 2 - - 1 2 ) 构成。了数学模型的基本方程， 分别对以上几式作拉氏变换，得： a p 。( s ) 一4 死( s ) = m s 2 y ( s ) + k v s y ( s ) ( 2 - - 1 3 ) 删= 高( 砒飒卅争咖，) ( 2 - - 1 4 ) = 古( 嗍和，+ t v b o 蝴j s ，) ( 2 - - 1 5 ) g 。( s ) = k q i u ( s ) + k q 2 p o s ) ( 2 - - 1 6 ) g 。6 ( s ) = k q 3 u ( s ) + k q 4 岛0 ) ( 2 - - 1 7 ) 分别把( 2 - - 1 6 ) 代入( 2 - - 1 4 ) ，( 2 - - 1 7 ) 代入( 2 - - 1 5 ) ，可得： 舯等等 以加盘糍掣 ( 2 1 8 ) ( 2 1 9 ) 所以把( 2 - - 1 8 ) ，( 2 - 1 9 ) ，代入( 2 - - 1 3 ) ，可得阀控缸系统的传递函数： g ( s ) = 瓦再b 孑s + 丽b o 式中： 6 l = ( 圪。t 4 一圪。吒，以) r t ，k 1 4 ( 2 2 0 ) 上海大学硕士学位论文 b o = ( 。k q 。a o + k q 3 2 a b ) r 2 乃2 k 2 a 3 = v o o m 口2 = v o o o 一r r ，k m ( v o 4 + 圪o 2 ) q = k ( a 0 2 见。圪o + 4 2 p 6 0 v o o ) + 心4 k q 2 m r 2 e 2 k 2 - r r k k v ( v o k q 4 一圪。白2 ) 口o = k q 4 k q 2 k ，r 2 乃2 k 2 + ( 4 2 p e o 2 + 4 2 见o k q 4 ) 七2 r 互 在本实验系统中采用气动比例阀，在实际中比例阀的响应速度比较快，对系 统的动态性能影响微小，将：，吒。= o ，代入( 2 2 0 ) 式中，得： g ( s ) ：t 生f 一 ( 2 2 1 ) a 3 s 十a 2 s 十口l j 式中 b l = ( o t 4 一圪o k q ，4 ) r r , k 吩= v o o m 口2 = v o 。圪。氏 口l = k ( a a 2 见。圪o + 4 2 p 6 0 圪o ) 由于圪。，是随气缸不同的工作点而变化，因此在不同的工作点，系统的 传递函数是不一致的。本论文采用工作点在中间平衡位置。 在以上分析中，特别是对一些关系式的推演过程中，没有考虑气流的泄露影 响；另外，还忽略了连接管道的分布阻力和管道柔度的影响，即采用的是集中参 数模型，把管路内阻力归并到控制阀口处，把弹性变形归并到气缸内的活塞位移 和气体的容积变化。这种分析是在控制阀阀芯位移和气缸活塞位移变化的中间平 衡位置附近的小扰动变化范围内进行的，即以阀的稳态特性的线性化为基础的。 尽管阀的动态特性曲线与阀的稳态特性曲线可能有明显的差异，给设计和研究带 来麻烦，但实际证明采用阀的稳态特性进行系统分析和计算，求得的系统阻尼比， 比按非稳态压缩气流所估算出的结果偏大2 8 1 。也就是说：若按阀的稳定特性进行 系统分析时，该系统有一定的稳定裕度，才能使实际的系统稳定。因此，在工程 计算中，采用控制阀的稳定( 零点附近) 特性参数来分析系统的性能，要注意因 简化计算带来的不利影响。 由于以上推导过程中忽略了气体的泄漏、温度的变化、连接管道的分布阻力、 上海大学硕士学位论文 管道的容积等等因素，这些忽略对模型的准确性是有影响的。同时，尽管智能模 糊控制不需要知道被控对象的精确数学模型，但是对对象一些重要参数特性的了 解无疑会提高控制算法的效果，所以下面对所研究的气动位置伺服系统的模型进 行了辨识，为气动系统的仿真分析和计算机在线控制奠定基础。 2 3 系统辨识 系统辨识是研究如何用实验分析的方法，根据系统的输入输出时间函数来确 定描述系统行为的数学模型的一门学科。系统辨识是在现代控制理论、数理统计 以及随机过程等理论基础上发展起来的。l a z a d e h 曾给辨识下了一个定义：“辨 识就是在输入和输出数据的基础上，从一组给定的模型中，确定一个与所测系统 等价的模型。”近几十年来随着计算机技术的日益成熟，系统辨识已成为控制技 术中分析建立数学模型的一个重要手段。 本系统的辨识采用l a b v i e w 的系统辨识工具箱，可方便地进行辨识分析和 计算3 1 1 。系统辨识的过程包括采集和预处理原始数据，辨识数学模型，然后验 证模型准确性。如果结果不是令人满意的，需校正参数并且重复以上过程。以下 流程图显示一个典型的系统辨识过程。 数据处理 上 li 选择模型bi i 广- 一 之乡 。u i 建立模型校正参数 i 扒 模型验证 广j 广 一- 1 l o 多 最终模型 图2 - - 3 系统辨识过程 辨识未知系统的第一步是采集数据，使用d a q 硬件和软件采集系统数据。 为了验证模型，必须采集两组系统输入一输出采样数据或把数据分成两组。用一 组数据估计系统的数学模型。用另一组数据验证所得模型。在采集数据后，必须 1 6 上海大学硕士学位论文 对原始数据进行预处理。数据预处理包括以下步骤：去除趋向，过滤噪声，降低 采样率等。因为根据辨识的要求，在参数估计和模型验证中不能使用同一数据， 所以将采集到的数据分成两组，一组( 6 6 ) 用来估计系统的数学模型，另一组 ( 3 4 ) 用来验证模型。 图2 4 所示为气动比例系统辨识闭环控制系统框图。其中，输入信号采用 与输出测量噪声无关的m 序列伪随机信号。由于气动系统的开环传递函数随气 缸位置的不同而变化。针对这点采用定位辨识法，即给定气动系统加一个给定位 置输入信号，待系统稳定后，又加入m 序列的激励信号。g ( z ) 为受辨过程传 递函数，u r ( i ) 为给定位置信号；y ( i ) 为气缸位置输出，控制器的控制算法采 用简单的p i d 控制算法。 图2 4 被控对象闭环直接辨识原理图 计算机控制程序框图如图2 5 ： 盎嘶 1 7 上海大学硕士学位论文 如下【3 2 】 3 3 】： 0 4 5 a t ( 3 - 1 0 ) f m 0 4 5 a t 表示m 伪随机序列的频带宽。 选取n p 时，要保证m 序列的循环周期大于过程的过渡时间，以保证时间大 于n p a t 后，脉冲响应衰减接近于零，通常 n p = ( 1 2 1 5 ) t s a t 式中t s 为系统的过渡时间即取系统最高工作频率，可用阶跃响应、方波响 应等实验方法估计。m 序列的幅度a 一般不宜过大，也不宜过小，以保证一定的 信噪比。信号幅度在既能保证线性，又能保证系统最大幅值的基础上，选择序列 的幅值为1 5 v 。 用以上原则，采用如图2 4 所示的伪随机序列作为输入信号。其中，采样 周期为0 0 2 s ，n p 为2 5 5 。根据输入信号，对气动比例系统进行实验。 伪瓢序孙臣五皿 1 图2 7 系统输出曲线 | | o | | | | | | | | | | | r 卜二， ?一，| | k | i 学位论女 冈为拒气动系统输入、输出及洲垃中不可避免的渗杂噪声，考虑更般的形 式，可用f 述带控制量的白旧归模型( a r x ) 作为比例阀控气功f 【1 】服系统辨u l 模 型： a ( z ) y ( k ) = b ( z ) u ( k 一 ) + e ( k ) ( z ) = 1 + a i 二一+ + d 。：一“ 占( z ) = 晚+ 6 l ：4 -+ k = “。 k a 为a 的阶，k b 为b 晌阶。 应用l a b v i e ws y s t e mi d e n t i f i c a t i o n t o o l k i t ，编写程序界面如图2 8 所示。 吲2 8 系统辨识拌序前面面板 输入控制程序中采集的闭环系统激励倍号和响应信号，对系统进行辨识，其 辨识程序框圈如图2 9 所示。 l 到2 - 9 系统辨识程序框倒 对l 动系统，选嫩k a - - 3 ，k b = 3 ，n k = 1 。系统的传递函数为 g ( z ) ：鱼：1 生! 。：二垒! ： 、i + 。j ：+ “二= + 以：1 经过系统辨识，得出v = 5 0 0 r a m 位置的辨u ! 结果： 上海大学硕士学位论文 ，、 0 0 16 2 2 z 一一0 0 4 8 0 4 z - 2 + 0 0 12 4 6 z - 3 i t i ，- = = 一 、7 1 0 6 9 8 2 z 叫+ 0 3 0 4 8 z - 2 0 6 0 6 5 z - 3 将其转换为连续数学模型，可以得到如下系统传递函数： g ( s ) = 万i 1 5 而9 8 2 ( 2 - - 2 2 ) 模型验证 6 0 0 5 5 0 叫 三5 0 0 一 。 j 4 5 0 4 0 0 3 8 0 广、 l 广、， l 、 。 1 一 - _ 矿 一 i 一 0 梗型验证 5 3 4 6 4 1 5 2 0 5 1 0 暑 5 0 0 4 9 0 4 8 0 4 t 4 1 8 3 。1 少? k o 文、， ， 。 。t 、_ h1 2 p 0 0 0 4 0 3 6口1 0 z0 30 3 3 0 9 4 2 t i m e 图2 1 0 系统a r x 模型的辨识曲线和实测曲线 数据预处理中要检查冗余点和丢失点，因为系统在的辨识点在中间位置，比 例阀的控制信号的零点在5 v ，所以必须把辨识输入数据作消除趋势项处理。在 模型验证阶段，使用多种验证方法是必须的。单使用种验证方法很容易被错误 的模型所误导，在辨识实验中，用仿真输出比较实际输出后，再通过比较预测响 应曲线，比较其与实际响应曲线吻合度，图2 1 0 中白色虚线为仿真响应曲线， 红色为实验测量曲线，绿色为预测响应曲线，从图中比较仿真结果和实验结果表 上海大学硕士学位论文 明：确定的数学模型仿真实验结果基本相符，这说明所建立的数学模型是正确的。 辨识所得的模型是在系统平衡点y = 5 0 0 m m 附近的模型，实际系统模型根据 辨识位置不同，模型参数仍有微量变化。 该模型开环增益k = 2 ，其中的二阶环节= 8 9 ，善= o 1 4 ，所以该气动阀 控缸系统阻尼较小，具有响应快的特征，同时小阻尼环节在q 之前具有较小的 相位滞后，而该模型的幅频穿越频率远小于其蛾，所以具有较大的相位裕度， 系统有较好的相对稳定性。该系统的控制器设计主要是基于克服系统存在精度偏 低的缺陷。 2 4 本章小结 本章通过对气动比例系统中气缸两腔的流量特性、活塞的力平衡特性，以及 气动比例方向阀的压力一流量特性进行分析研究，从而推导出气动状态方程，并 对方程在平衡点进行近似和线性化，得到了描述系统被控对象的近似数学模型。 线性化后的数学模型，与实际模型相比作了大量的简化，忽略了许多因素。通过 采用系统辨识的方法，对被控对象的模型进行了辨识，辨识结果显示该模型能够 很好的逼近真实系统的模型，也证实了用辨识出的模型作为系统的数学模型而实 施控制的正确性。并对气动比例系统的稳定性进行分析，得出该系统具有较大的 相对稳定性和响应速度，控制器的设计将主要着眼于提高系统精度。 2 1 上海大学硕十学位论文 3 1 前言 第三章控制策略研究及控制器设计 气动系统由于气体的可压缩性、阀的非线性特性及气缸摩擦力的影响，导致 了气动伺服系统的非线性、参数变化大和外负载干扰大等特点，使得精确控制气 动伺服系统比较困难，控制策略选择的好坏对系统性能的影响至关重要。 p i d 控制算式是一种在工业控制中广泛运用的控制策略。它的优点是原理简 单，易于现实，稳定性能好【3 4 1 。但是气动系统存在着非线性、参数时变性和模 糊不确定性，而传统的p i d 控制主要是控制具有确定模型的线性过程，因此常规 p i d 控制不具有在线整定参数的能力，其控制效果就不是十分理想。计算机技术 和智能控制理论的发展为复杂动态不确定系统的控制提供了新的途径，采用智能 控制技术，可设计智能p i d 和进行p i d 的智能整定。如果采用模糊推理的方法 实现p i d 参数：k p 、k i 、k d 参数在线自适应，不仅保持了常规p i d 控制的特点， 而且具有更大的灵活性、适应性和精确性等优点，是目前一种较为先进的控制算 法。 本章在分析气动阀控缸系统模型的基础上，根据系统特征，为了提高系统精 度，需要在串联校正中强化比例增益的作用。采用常规p i d 控制和模糊p i d 控 制，并比较两种控制方法的差异。最后相对于常规p i d 控制，模糊p i d 控