【正文】 .........................................33 哈爾濱工業(yè)大學(xué)（威海）本科生畢業(yè)論文 IV . 機(jī)械系統(tǒng)設(shè)計(jì) .......................................................................................33 . 氣動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì) .......................................................................................34 . 控制系統(tǒng)設(shè)計(jì) .......................................................................................34 . 實(shí)驗(yàn)平臺搭建 .......................................................................................35 . 傳感器的標(biāo)定 .......................................................................................36 . 比例閥的中位 死區(qū) ...............................................................................38 . 摩擦力參數(shù)估計(jì) ...................................................................................40 . 氣動(dòng)伺服實(shí)驗(yàn)研究 ...............................................................................41 . 本章小結(jié) ...............................................................................................42 結(jié) 論 ................................................................................... 錯(cuò)誤 !未定義書簽。 附錄一 ..................................................................................................................49 致 謝 ................................................................................... 錯(cuò)誤 !未定義書簽。 哈爾濱工業(yè)大學(xué)（威海）本科生畢業(yè)論文 1 第 1章 緒論 . 課題來源及研究的背景和意義 . 課題來源 本課題來源是日本 SMC 合作開發(fā)項(xiàng)目。 . 課題研究的背景和意義 氣動(dòng)技術(shù)是以壓縮空氣為工作介質(zhì)進(jìn)行能量與信號傳遞的技術(shù)。隨著工業(yè)機(jī)械化和自動(dòng)化的發(fā)展 ,氣動(dòng)技術(shù)因 其具有功率 質(zhì)量比大、清潔、價(jià)格低、結(jié)構(gòu)簡單、易維護(hù)等優(yōu)點(diǎn) ,得到了迅速的發(fā)展及普遍應(yīng)用。傳統(tǒng)的氣動(dòng)系統(tǒng)以開關(guān)控制為主 ,只能在若干個(gè)機(jī)械設(shè)定位置可靠的定位且執(zhí)行元件的速度控制是通過單向節(jié)流閥實(shí)現(xiàn)的 ,已經(jīng)無法滿足許多設(shè)備的自動(dòng)控制要求。在這一背景下 ,氣動(dòng)伺服技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生 ,與電氣伺服技術(shù)相比 ,氣動(dòng)伺服系統(tǒng)不需要笨重的傳動(dòng)環(huán)節(jié) ,也無需擔(dān)心散熱問題 。與液壓伺服技術(shù)相比 ,氣動(dòng)伺服系統(tǒng)具有潔凈、結(jié)構(gòu)簡單、成本低、維護(hù)方便等優(yōu)點(diǎn)。 在工業(yè)自動(dòng)化領(lǐng)域 ,氣動(dòng)伺服位置控制技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)氣缸多點(diǎn)無極定位(柔性定位 )和運(yùn)動(dòng)速度 的連續(xù)可調(diào) ,一方面滿足了復(fù)雜的工藝過程要求 ,在生產(chǎn)對象發(fā)生改變后 ,能非?？旖莸闹匦戮幊?,實(shí)現(xiàn)柔性生產(chǎn) 。另一方面與傳統(tǒng)的機(jī)械定位及單向節(jié)流閥加氣缸端部緩沖的速度控制方式相比 ,可以達(dá)到最佳的速度和緩沖效果 ,大幅度地降低氣缸的動(dòng)作時(shí)間 ,縮短工序節(jié)拍 ,提高生產(chǎn)率 ,因而具有廣泛的應(yīng)用前景。 隨著機(jī)械系統(tǒng)工作精度、響應(yīng)速度和自動(dòng)化程度的提高 ,對氣動(dòng)控制技術(shù)的要求也越來越高。但是由于氣動(dòng)比例系統(tǒng)具有的非線性特性 ,僅靠提高元件的性能來改善系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性是不夠的 ,有些特性是氣動(dòng)系統(tǒng)本身固有的 ,如氣體的可壓縮性、低阻尼、低剛度 等 ,這些特性給系統(tǒng)帶來的不利影響只能通過控制策略來解決 ,因此控制理論方面還需要進(jìn)一步深入探索。 哈爾濱工業(yè)大學(xué)（威海）本科生畢業(yè)論文 2 . 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀及分析 本課題研究所包含的氣動(dòng)伺服系統(tǒng)是指以直線氣缸為執(zhí)行元件的系統(tǒng)，對其它類型執(zhí)行元件的氣動(dòng)伺服系統(tǒng)研究現(xiàn)狀不作過多闡述。本節(jié)從控制元件和執(zhí)行元件研究、系統(tǒng)建模研究以及控制策略研究三個(gè)方面分析國內(nèi)外對氣動(dòng)位置伺服系統(tǒng)的研究現(xiàn)狀。 . 控制元件研究現(xiàn)狀 氣動(dòng)伺服位置控制系統(tǒng)按其氣動(dòng)元件組成系統(tǒng)的機(jī)械結(jié)構(gòu)形式不同分以下幾種。 (1)進(jìn)出口聯(lián)動(dòng)控制的閥控缸系統(tǒng) 由一個(gè)比例換向閥 (或伺服閥 )控制一個(gè)氣缸，如圖 11 所示。結(jié)構(gòu)比較簡單、運(yùn)動(dòng)速度快 ,一般來說系統(tǒng)的背壓小、剛性較差、阻尼特性差、控制困難 ,但可以采用小閥口開度保證較高的剛度 ,但系統(tǒng)耗能非常大且不可控。目前大部分研究采取帶狀態(tài)反饋的控制率 ,且控制率的有效性取決于不能觀子系統(tǒng)的穩(wěn)定性。 圖 11 進(jìn)出口聯(lián)動(dòng)控制的閥控缸系統(tǒng) 美國萊特州立大學(xué)將多層神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)用于進(jìn)出口聯(lián)動(dòng)的氣動(dòng)伺服位置控制系統(tǒng)的軌跡跟蹤。建立一個(gè)氣缸的模型，為前饋多層神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制器提供訓(xùn)練數(shù)據(jù)。多層神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)被設(shè)計(jì)消除氣缸動(dòng)力并與比例反饋控制器結(jié)合來控制缸的運(yùn)動(dòng)。通過一系列氣缸勻速運(yùn)動(dòng)軌跡訓(xùn)練多層 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，合成控制器可以使模型跟蹤在訓(xùn)練過的狀態(tài)空間里的勻速運(yùn)動(dòng)軌跡 [l]。針對建立精確的氣缸模型和用額外的軌跡 /閥輸出關(guān)系尋找輸入 /輸出數(shù)據(jù)的缺點(diǎn) ,采用自適 哈爾濱工業(yè)大學(xué)（威海）本科生畢業(yè)論文 3 應(yīng)多層神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)來實(shí)現(xiàn)氣缸的運(yùn)動(dòng)軌跡跟蹤控制 ,需要注意的是使用兩種自適應(yīng)多層神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)。離線自適應(yīng)多層神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)用于初始訓(xùn)練 ,并且適合于系統(tǒng)發(fā)生重大變化的場合。在線自適應(yīng)多層神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)適合于在存在輕微變化時(shí)精確調(diào)整其權(quán)值 ,逐漸提高多層神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的性能。自適應(yīng)多層神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)方法允許用多層神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)學(xué)習(xí)更復(fù)雜的軌跡?？刂破鞯?PI 部分將補(bǔ)償未訓(xùn)練的多層神經(jīng)網(wǎng)絡(luò) ,直到多層神 經(jīng)網(wǎng)絡(luò)已經(jīng)學(xué)習(xí)到新系統(tǒng)的動(dòng)力學(xué)特性 [2]。 美國范德比爾特大學(xué)用非線性觀測器取代壓力傳感器的可能性依然存在。通過一個(gè)非線性可觀測矩陣的建立和等級測試，表明那些提出不切實(shí)際的用非線性觀測器重構(gòu)壓力狀態(tài)來達(dá)到實(shí)際目的的系統(tǒng)中存在重要的奇異點(diǎn) [3]。提出兩種基于李雅普諾夫的壓力觀測器 ,第一個(gè)方法是由狀態(tài)方程推出的基于能量的穩(wěn)定壓力觀測器。另一個(gè)方法是結(jié)合輸出誤差控制觀測到的壓力值收斂。仿真和實(shí)驗(yàn)結(jié)果演示證明了提出的觀測器的有效性 [4]。 美國俄亥俄州立大學(xué)利用滑模觀測器的氣動(dòng)系統(tǒng)的一種基于反饋線性化的變結(jié)構(gòu)控制器。利用滑?？刂评碚摰聂敯粲绊懞蜌鈩?dòng)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)特性，設(shè)計(jì)一個(gè)非線性控制器實(shí)現(xiàn)在有限時(shí)間里使輸出的跟隨誤差變?yōu)榱恪Ｍㄟ^補(bǔ)償氣缸中摩擦力對活塞的影響得到關(guān)于有界模型和參數(shù)不確定的強(qiáng)魯棒性。該控制器和觀測器是建立在三階非線性氣動(dòng)系統(tǒng)模型上的，該模 型 由Acarman 等提出并通過實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行了驗(yàn)證。仿真結(jié)果證明了設(shè)計(jì)的觀測器的有效性和設(shè)計(jì)的控制器的良好表現(xiàn) [5]。 德國卡塞爾大學(xué)研究具有時(shí)變垂直載荷的氣動(dòng)伺服位置控制。通過真實(shí)應(yīng)用用非線性系統(tǒng)的輸入輸出測量值進(jìn)行系統(tǒng)辨識方法研究，該方法是以一個(gè)混合 的多模型結(jié)構(gòu)為基礎(chǔ)，該結(jié)構(gòu)描述了整個(gè)工作范圍的系統(tǒng)全部運(yùn)行狀況。在不同的工作點(diǎn)，通過有限的輸入輸出信號測量值在頻域內(nèi)辨識 20個(gè)局部線性化黑箱模型。并由物理規(guī)律和幾個(gè)過程狀態(tài)的測量來估算未知參數(shù)推出系統(tǒng)的灰色模型，與黑箱模型進(jìn)行對比研究 [6]。為了使位置控制精度與活塞位置和負(fù)載變化無關(guān) ,對于每個(gè)局部線性化模型，都推出一個(gè)狀態(tài)反饋控制器。最終的系統(tǒng)控制器設(shè)計(jì)成一個(gè)具有模糊增益調(diào)度局部狀態(tài)反饋控制器的程序。實(shí)驗(yàn)結(jié)果證實(shí)該控制器能處理設(shè)備中的主要非線性和不同負(fù)載，而且在每個(gè)實(shí)驗(yàn)階段都能保持連續(xù) [7]。 加拿 大馬尼托巴大學(xué)用定量反饋理論設(shè)計(jì)了一個(gè)簡單有效的位置控制 哈爾濱工業(yè)大學(xué)（威海）本科生畢業(yè)論文 4 器。提出一個(gè)簡單的動(dòng)態(tài)反饋固定增益 PI 控制，來保證滿足一個(gè)優(yōu)先特定的閉環(huán)性能要求，如魯棒穩(wěn)定性，跟蹤性能和干擾抑制。提出一種新型內(nèi)外設(shè)計(jì)方法，避免一個(gè)不必要的復(fù)雜的外環(huán)路控制器的合成。從系統(tǒng)對參考位置的每步變化的響應(yīng)和干擾力的每步變化的響應(yīng)角度檢查內(nèi)回路反饋的優(yōu)點(diǎn)。仿真結(jié)果清晰表明內(nèi)環(huán)路反饋通過消除振蕩和減小超調(diào)量提高了干擾響應(yīng) [8]。 加拿大麥克馬斯特大學(xué)文中研究了影響一個(gè)由中位全開的伺服閥控制的氣動(dòng)伺服系統(tǒng)穩(wěn)定誤差的原因。給出了設(shè)備完整的非線型和線 型模型。介紹了一種可以用于任何控制策略的有效的摩擦力補(bǔ)償方法。當(dāng)與一種新型的PVA/PV 控制方法結(jié)合，在實(shí)驗(yàn)中證實(shí)穩(wěn)態(tài)誤差 為 177。， 比先前記錄的此類系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)結(jié)果提高了十倍。系統(tǒng)在帶 ，不需重新調(diào)控制器，就能實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo) [9]。得到的氣動(dòng)伺服系統(tǒng)非線性動(dòng)力學(xué)模型的方法，模型包括缸的動(dòng)力、有效載荷運(yùn)動(dòng)、摩擦力和閥特性。還描述了通過簡單的實(shí)驗(yàn)來估算模型參數(shù)的方法。表明標(biāo)準(zhǔn)質(zhì)量流量閥模型不符合中位全開的比例閥。建立了一個(gè)更符合實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的新型閥模型。提出的建模方法不需要專 門的測量設(shè)備或拆卸系統(tǒng)硬件。在連續(xù)使用的氣動(dòng)伺服系統(tǒng)中這是個(gè)優(yōu)勢。文中實(shí)驗(yàn)結(jié)果證明了該模型預(yù)測活塞位置和氣缸腔壓力的能力 [10]。 中國哈工大將基于直接反饋線性化的非線性 H? 控制策略應(yīng)用于氣壓伺服系統(tǒng)。其引入反饋線性化把具有強(qiáng)非線性的氣壓伺服系統(tǒng)轉(zhuǎn)化為偽線性系統(tǒng) ,采取 H? 控制 ,處理由于模型不準(zhǔn)確、運(yùn)行參數(shù)的攝動(dòng)等引起的魯棒性問題[11]。 (2)兩腔 獨(dú)立控 制的閥控缸系統(tǒng) 由于兩腔獨(dú)立控制 ,因此具有兩個(gè)控制量 ,除了控制位置之外 ,另一個(gè)控制量可以用來控制背壓、控制剛度。其又有三種不同的結(jié)構(gòu)形式 :其一 ,由兩個(gè)比例換向閥控制一個(gè)氣缸圖 12。要求計(jì)算流量反饋 。系統(tǒng)階數(shù)較高 ,為四階 。系統(tǒng)的模型參數(shù)與溫度、氣源壓力、負(fù)載力的性質(zhì)及比例閥的參數(shù)等諸多因素有關(guān)。優(yōu)點(diǎn)是頻率響應(yīng)快 ,可以實(shí)現(xiàn)高精度控制。其二 ,由兩個(gè)比例減壓閥控制一個(gè)氣缸如圖 13。氣體可壓縮性大使得比例壓力閥出現(xiàn)滯后 ,為解決兩個(gè)比例閥同時(shí)受控時(shí)出現(xiàn)的控制效果不佳現(xiàn)象 ,需要通過固定一比例閥電壓而簡化數(shù)學(xué)模型。優(yōu)點(diǎn) 是不需要考慮壓 哈爾濱工業(yè)大學(xué)（威海）本科生畢業(yè)論文 5 力調(diào)節(jié) ,可以降低系統(tǒng)模型階數(shù)。其三 ,由兩個(gè)或兩個(gè)以上的高速開關(guān)閥控制一個(gè)氣缸如圖 14。具有非解析的數(shù)學(xué)模型 ,需要采用線性狀態(tài)空間平均或非線性狀態(tài)平均方法來轉(zhuǎn)化成等價(jià)的時(shí)間連續(xù)動(dòng)力學(xué)方程 。有死區(qū) ,壓差一占空比曲線原點(diǎn)處具有非線性特性 ,需要采用修正的微分脈寬調(diào)制方法 。必須選取合適的載波周期 ?？刂凭鹊陀诒壤y和伺服閥。優(yōu)點(diǎn)是價(jià)格便宜、系統(tǒng)抗干擾能力強(qiáng)。 圖 12 兩個(gè)比例換向閥控制氣缸系統(tǒng) 圖 13 兩個(gè)比例減壓閥控制氣缸系統(tǒng) 圖 14 多個(gè)高速開關(guān)閥 控制氣缸系統(tǒng) 哈爾濱工業(yè)大學(xué)（威海）本科生畢業(yè)論文 6 法國 INSA Lyon 大學(xué) ， Smaoui M， Brun X 等人針對一階滑模控制主要的一個(gè)問題是抖振現(xiàn)象。提出一種在電氣系統(tǒng)中位置控制中應(yīng)用的二階滑?？刂品椒?。證明通過這種方法可以避免抖振現(xiàn)象，同時(shí)還能保持與一階滑?？刂葡嗤聂敯粜?[12]。對采用兩個(gè)三通比例閥系統(tǒng)。一般情況下，這兩個(gè)閥的輸入符號相反時(shí)，它們的控制方式，應(yīng)該相當(dāng)于一個(gè)五通比例閥。在這種情況下，可以建立一元控制法則。但是，有兩個(gè)三通閥的系統(tǒng)可以控制兩個(gè)不同的軌跡。由于建模過程中的不確定性，必須采用魯棒控制器來確保位置和壓力的高精度 跟蹤。對此，提出了兩個(gè)基于一階和二階滑?？刂平M合的控制法。文中介紹了實(shí)驗(yàn)結(jié)果，并進(jìn)行討論分析 [13]。近幾年，反步設(shè)計(jì)技術(shù)作為一種非線性控制技術(shù)，吸引了大批研究者興趣。但它主要應(yīng)用于嚴(yán)格反饋系統(tǒng)。提出了一種電子 氣動(dòng)系統(tǒng)的新型反步控制器。應(yīng)該注意的是該系統(tǒng)的模型是半嚴(yán)格反饋形式。然后，提出一種修改方法，并在實(shí)驗(yàn)測試平臺上合成實(shí)現(xiàn)該方法 [14]。 日本立命館大學(xué)采用以模型為基礎(chǔ)的滑?？刂品椒ǖ臍鈩?dòng)執(zhí)行元件，提出新型自適應(yīng)控制算法。該設(shè)計(jì)以完整的四階非線性動(dòng)力學(xué)方程為基礎(chǔ)。為了避免加速度的反饋和變量突變 ，我們采用兩腔壓力差和其導(dǎo)數(shù)作為狀態(tài)量。給出自適應(yīng)估計(jì)未知參數(shù)的方法。該控制器很容易實(shí)現(xiàn)，而且對負(fù)載和參數(shù)的變化具有魯棒性。在帶比例閥的工業(yè)圓柱氣缸系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)該新方案[15]。 美國范德比爾特大學(xué)將用于氣動(dòng)伺服控制的標(biāo)準(zhǔn)四通滑閥解耦成兩個(gè)三通閥，然后采用兩個(gè)自由度同時(shí)滿足性能約束（基于滑?？刂疲┖凸?jié)能動(dòng)態(tài)約束來最小化氣缸壓力，來表述該控制方法。給出了控制公式，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明所