高精度氣動同步系統(tǒng)研究.pdf

1、因為具有功率-質(zhì)量比大、清潔、結(jié)構(gòu)簡單、易維護等優(yōu)點，氣動同步技術(shù)在機器人、工業(yè)自動化和醫(yī)療機械等領(lǐng)域具有廣泛的應用前景。但是氣動系統(tǒng)具有很多不利于精確控制的弱點，如強非線性、參數(shù)時變性和模型不確定性等，如何提高氣動位置伺服系統(tǒng)的軌跡跟蹤控制性能和如何實現(xiàn)多執(zhí)行元件同步控制仍是當前氣動技術(shù)研究的一個重要方向。本論文以一個雙氣缸的氣動同步系統(tǒng)為研究對象，以實現(xiàn)單缸的高精度運動軌跡跟蹤控制和雙缸的精確位置同步控制為研究目標，利用理論分析和實

2、驗相結(jié)合的方法，從建立精確描述系統(tǒng)特性的非線性模型入手，深入的研究了氣動伺服位置控制策略和氣動同步控制方法。
　　為實現(xiàn)氣缸的高精度運動軌跡跟蹤控制，本論文首先基于LuGre模型對氣缸摩擦力進行了補償，并提出了一種含死區(qū)補償?shù)淖赃m應魯棒控制策略。該控制器采用雙觀測器來估計摩擦力內(nèi)狀態(tài)，通過在線最小二乘參數(shù)估計來減小模型中參數(shù)不確定性，并利用非線性魯棒控制來抑制參數(shù)估計誤差、未建模動態(tài)和干擾的影響，從而保證一定的魯棒瞬態(tài)性能和高的穩(wěn)

3、態(tài)跟蹤精度。由于使用了標準投影映射技術(shù)，參數(shù)自適應律與非線性魯棒控制器兩個部分可以獨立進行設(shè)計。鑒于系統(tǒng)模型中的不確定性是非匹配的，采用了反步法來設(shè)計非線性魯棒控制器。此外，由于控制器能在線辨識閥的死區(qū)參數(shù)并對死區(qū)進行補償，算法的可移植性好。在此基礎(chǔ)上，將交叉耦合思想與直接/間接集成自適應魯棒控制結(jié)合起來，提出一種基于交叉耦合方法的自適應魯棒氣動同步控制策略，實現(xiàn)了雙缸的精確位置同步控制。
　　本論文共分六章，現(xiàn)將各章內(nèi)容分述如下

4、:
　　第一章，詳細介紹了氣動伺服位置控制的研究現(xiàn)狀，指出提高氣缸的軌跡跟蹤控制性能仍是當前氣動技術(shù)研究的一個重要方向;簡述了氣動同步控制的研究背景和研究現(xiàn)狀;最后概述了本課題的研究意義、研究難點以及主要研究內(nèi)容。
　　第二章，描述了氣動同步系統(tǒng)實驗裝置的硬件組成;研究了氣體通過控制閥閥口的流動、氣缸兩腔內(nèi)氣體的熱力過程和氣缸的摩擦力特性等問題，建立了氣動同步系統(tǒng)的非線性模型，為控制器設(shè)計做好準備;通過參數(shù)辨識，獲得了控制閥

5、閥口開度與控制電壓的關(guān)系以及缸內(nèi)空氣與氣缸內(nèi)壁間的熱傳導率;為滿足高精度氣動伺服位置控制時基于模型的摩擦力補償需要，建立了氣缸的LuGre動態(tài)摩擦模型并對其中參數(shù)進行了辨識。
　　第三章，給出氣動同步系統(tǒng)某一軸的非線性狀態(tài)空間模型，并分析系統(tǒng)的控制難點，歸納出為實現(xiàn)氣缸的高精度運動軌跡跟蹤控制，所采用的控制方法必須考慮模型中參數(shù)不確定性和不確定非線性的影響。首先為氣動位置伺服系統(tǒng)設(shè)計一個魯棒自適應控制器和一個確定性魯棒控制器，通過

6、分析二者的優(yōu)點和研究如何將它們有機結(jié)合，提出了一種氣動位置伺服系統(tǒng)的自適應魯棒運動軌跡跟蹤控制策略。它采用在線參數(shù)的自適應調(diào)節(jié)減小模型參數(shù)不確定性，同時通過魯棒控制律抑制不確定非線性的影響，從而達到較好的動態(tài)性能和較高的穩(wěn)態(tài)跟蹤精度。實驗證明，自適應魯棒控制器是有效的，控制性能高于文獻中已有的研究成果，且對系統(tǒng)參數(shù)變化和干擾具有較強的性能魯棒性。
　　第四章，在上一章研究的自適應魯棒控制器基礎(chǔ)上，通過引入一個動態(tài)補償型快速自適應項

7、，設(shè)計了直接/間接集成自適應魯棒控制器，提高了系統(tǒng)瞬態(tài)跟蹤性能;針對比例方向控制閥存在顯著的死區(qū)且不同閥的死區(qū)特性差異較大的情況，提出一種含死區(qū)補償?shù)闹苯?間接集成自適應魯棒控制器，在線辨識閥的死區(qū)參數(shù)并通過構(gòu)造死區(qū)逆對死區(qū)進行補償，提高了算法的可移植性;為進一步提高氣缸低速運行時的軌跡跟蹤控制精度，研究了基于LuGre模型的氣缸摩擦力補償方法以及如何將該補償方法與直接/間接集成自適應魯棒控制方法結(jié)合起來。最后，通過實驗證明了上述氣動位

8、置伺服系統(tǒng)的高精度運動軌跡跟蹤控制策略的有效性。跟蹤幅值為0.125 m、頻率為0.5 Hz正弦軌跡時，最大穩(wěn)態(tài)跟蹤誤差為1.32 mm，平均穩(wěn)態(tài)跟蹤誤差為0.68 mm，瞬態(tài)過程最大跟蹤誤差為1.61 mm;跟蹤低速正弦軌跡時，最大穩(wěn)態(tài)跟蹤誤差為0.59 mm，平均穩(wěn)態(tài)跟蹤誤差為0.21 mm。
　　第五章，提出一種基于交叉耦合方法的自適應魯棒氣動同步控制策略，既保證多氣缸精確同步又不影響系統(tǒng)中每一氣缸的軌跡跟蹤控制精度，基本思

9、想是:將同步誤差反饋至每個軸控制器的輸入端與軌跡跟蹤誤差組成一個新的稱為耦合誤差的變量，為每個軸分別設(shè)計直接/間接集成自適應魯棒控制器使耦合誤差收斂，實現(xiàn)軌跡跟蹤誤差和同步誤差同時收斂。給出了控制器的詳細設(shè)計步驟，并以雙氣缸同步為例，通過實驗證明控制器的有效性和性能魯棒性，跟蹤幅值為0.125 m、頻率為0.5 Hz的正弦期望軌跡時，最大同步誤差為1.25 mm左右，平均同步誤差為0.67 mm左右。
　　第六章，對本論文的主要工