氣動(dòng)比例系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性與控制研究.pdf

1、氣動(dòng)系統(tǒng)以其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、無污染、性價(jià)比高、維修方便以及抗干擾能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于化工、醫(yī)藥、紡織、微電子、生物工程等工業(yè)自動(dòng)化領(lǐng)域中。氣動(dòng)比例技術(shù)的出現(xiàn)，使氣動(dòng)系統(tǒng)從邏輯控制領(lǐng)域擴(kuò)展到比例/伺服控制領(lǐng)域。但是由于氣動(dòng)系統(tǒng)固有的非線性、剛度小、阻尼比小以及固有頻率低等缺點(diǎn)，使得氣動(dòng)比例系統(tǒng)定位技術(shù)進(jìn)展緩慢，其控制精度和工作性能難以達(dá)到理想的效果，從而限制了氣動(dòng)系統(tǒng)在工業(yè)領(lǐng)域中的推廣及應(yīng)用。本文主要以提高氣動(dòng)比例系統(tǒng)的控制精度為目標(biāo)，通

2、過分析其摩擦力及動(dòng)態(tài)特性，對(duì)系統(tǒng)的摩擦非線性補(bǔ)償及智能控制策略進(jìn)行研究。 文中綜述了氣動(dòng)比例系統(tǒng)的特點(diǎn)及發(fā)展?fàn)顩r，分析氣動(dòng)系統(tǒng)的摩擦補(bǔ)償技術(shù)，闡述智能控制技術(shù)在該領(lǐng)域中的研究與應(yīng)用。在深入分析氣動(dòng)比例系統(tǒng)的工作性能及特點(diǎn)的基礎(chǔ)上，研究系統(tǒng)的摩擦機(jī)理，并且通過疊加高頻低幅顫振信號(hào)補(bǔ)償系統(tǒng)的摩擦力，結(jié)合氣動(dòng)比例系統(tǒng)的非線性特征，研究了智能混合控制器，獲得系統(tǒng)良好的控制精度。 首先，研究疊加高頻低幅顫振信號(hào)補(bǔ)償摩擦力的理論。為

3、克服摩擦力給系統(tǒng)帶來的穩(wěn)態(tài)誤差和低速爬行問題，通常是通過提高運(yùn)動(dòng)部件的加工精度和改進(jìn)系統(tǒng)的潤滑條件來減少系統(tǒng)的摩擦力。在氣動(dòng)比例系統(tǒng)中，可以通過改進(jìn)氣缸的機(jī)械結(jié)構(gòu)，或者采用高精度新型氣缸等措施來減少非線性摩擦對(duì)系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)性能的影響，但是由于這種方法會(huì)使成本顯著增加，也不可能最終消除非線性摩擦，從而影響系統(tǒng)的定位精度和軌跡跟蹤精度。因此，必須從根本上對(duì)其進(jìn)行研究，采用現(xiàn)代控制理論與摩擦補(bǔ)償來減小非線性對(duì)系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)精度的影響。 基于粘彈

4、性理論發(fā)展氣動(dòng)比例系統(tǒng)的摩擦數(shù)學(xué)模型。將該摩擦模型引入閥控缸系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)模型中，對(duì)系統(tǒng)的模態(tài)參數(shù)進(jìn)行識(shí)別，建立系統(tǒng)完整的運(yùn)動(dòng)模型。通過研究系統(tǒng)的摩擦機(jī)理并對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行疊加顫振信號(hào)后的穩(wěn)定性理論分析，系統(tǒng)部分靜摩擦力轉(zhuǎn)化為動(dòng)摩擦力，最大靜摩擦力減小，響應(yīng)速度提高，從而將系統(tǒng)的粘滑運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)換為一種平穩(wěn)運(yùn)動(dòng)。當(dāng)顫振頻率近似等于系統(tǒng)固有頻率時(shí)，系統(tǒng)產(chǎn)生共振現(xiàn)象，當(dāng)顫振頻率為固有頻率的3.3倍時(shí)，系統(tǒng)在不同的幅值下的定位精度均有提高。信號(hào)幅值與負(fù)載關(guān)系

5、為A=0.005F+1.0333時(shí)，系統(tǒng)的滯后時(shí)間由原來的0.17s縮短為0.02s。其次，研究氣動(dòng)比例系統(tǒng)的智能混合控制策略，有效克服系統(tǒng)的非線性。智能控制采用各種智能化技術(shù)實(shí)現(xiàn)復(fù)雜系統(tǒng)和其它系統(tǒng)的控制目標(biāo)，是一種具有強(qiáng)大生命力的新型自動(dòng)控制技術(shù)?？刂频哪康木褪歉鶕?jù)控制對(duì)象的特性開發(fā)出適合系統(tǒng)特征的控制器，從而可以得到良好的控制性能。由于系統(tǒng)在運(yùn)動(dòng)過程中受工作負(fù)載、氣源壓力、氣體流量和靜態(tài)工作點(diǎn)等各因素的影響，氣動(dòng)比例系統(tǒng)屬于典型的時(shí)

6、變非線性系統(tǒng)。因此，嚴(yán)格地來講，沒有任何一種控制方法能夠適用于被控對(duì)象的整個(gè)控制過程，控制策略單純采用常規(guī)控制，很難取得令人滿意的效果，必須根據(jù)不同的控制對(duì)象尋找最適合的控制策略。 針對(duì)氣動(dòng)比例系統(tǒng)的非線性特點(diǎn)，將神經(jīng)模糊控制引入到專家控制中，形成一種綜合的實(shí)時(shí)智能混合控制策略。該控制器既具有專家控制的邏輯推理、模擬人的高級(jí)智能行為的能力，又具有神經(jīng)模糊控制的直覺推理能力，將兩種控制策略結(jié)合實(shí)現(xiàn)了并行控制與知識(shí)共享。研究發(fā)現(xiàn)，該

7、混合控制結(jié)構(gòu)響應(yīng)快，控制性能高，兼顧快速性和靈活性，對(duì)于系統(tǒng)的任意軌跡跟蹤具有較高的控制性能，對(duì)外干擾的魯棒性較強(qiáng)。 再次，研究氣動(dòng)比例閥控缸系統(tǒng)動(dòng)態(tài)模型，描述系統(tǒng)的氣源壓力、氣體流量及工作負(fù)載等工作參數(shù)對(duì)系統(tǒng)定位精度的影響規(guī)律。對(duì)影響系統(tǒng)動(dòng)態(tài)特性的主要影響因素進(jìn)行理論分析與實(shí)驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn)，系統(tǒng)的控制性能受氣源壓力的影響最大，氣體流量次之，工作負(fù)載最小。對(duì)不同的氣源壓力、氣體流量及工作負(fù)載下的定位精度進(jìn)行多元非線性回歸分析，建立系

8、統(tǒng)的定位精度與動(dòng)態(tài)參數(shù)之間的關(guān)系方程，通過該方程可以近似計(jì)算出系統(tǒng)在不同狀態(tài)下的定位精度。 再次，對(duì)氣動(dòng)比例系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型進(jìn)行系統(tǒng)辨識(shí)與穩(wěn)定性分析。通過系統(tǒng)辨識(shí)，消除數(shù)學(xué)模型在機(jī)理建模及線性化過程中造成的誤差，得到氣動(dòng)比例系統(tǒng)較為精確的數(shù)學(xué)模型?；谠撃Ｐ瓦M(jìn)行穩(wěn)定性分析，根據(jù)奈奎斯特穩(wěn)定判據(jù)判定該氣動(dòng)比例系統(tǒng)屬于穩(wěn)定系統(tǒng)。 最后，研制二自由度氣動(dòng)比例系統(tǒng)的控制程序及控制界面，實(shí)現(xiàn)氣動(dòng)比例系統(tǒng)在平面內(nèi)的高精度軌跡跟蹤研究。