【正文】 .........................................33 哈爾濱工業(yè)大學（威海）本科生畢業(yè)論文 IV . 機械系統(tǒng)設計 .......................................................................................33 . 氣動系統(tǒng)設計 .......................................................................................34 . 控制系統(tǒng)設計 .......................................................................................34 . 實驗平臺搭建 .......................................................................................35 . 傳感器的標定 .......................................................................................36 . 比例閥的中位 死區(qū) ...............................................................................38 . 摩擦力參數(shù)估計 ...................................................................................40 . 氣動伺服實驗研究 ...............................................................................41 . 本章小結 ...............................................................................................42 結 論 ................................................................................... 錯誤 !未定義書簽。 附錄一 ..................................................................................................................49 致 謝 ................................................................................... 錯誤 !未定義書簽。 哈爾濱工業(yè)大學（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)項目。 . 課題研究的背景和意義 氣動技術是以壓縮空氣為工作介質(zhì)進行能量與信號傳遞的技術。隨著工業(yè)機械化和自動化的發(fā)展 ,氣動技術因 其具有功率 質(zhì)量比大、清潔、價格低、結構簡單、易維護等優(yōu)點 ,得到了迅速的發(fā)展及普遍應用。傳統(tǒng)的氣動系統(tǒng)以開關控制為主 ,只能在若干個機械設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)流閥實現(xiàn)的 ,已經(jīng)無法滿足許多設備的自動控制要求。在這一背景下 ,氣動伺服技術應運而生 ,與電氣伺服技術相比 ,氣動伺服系統(tǒng)不需要笨重的傳動環(huán)節(jié) ,也無需擔心散熱問題 。與液壓伺服技術相比 ,氣動伺服系統(tǒng)具有潔凈、結構簡單、成本低、維護方便等優(yōu)點。 在工業(yè)自動化領域 ,氣動伺服位置控制技術可以實現(xiàn)氣缸多點無極定位(柔性定位 )和運動速度 的連續(xù)可調(diào) ,一方面滿足了復雜的工藝過程要求 ,在生產(chǎn)對象發(fā)生改變后 ,能非常快捷的重新編程 ,實現(xiàn)柔性生產(chǎn) 。另一方面與傳統(tǒng)的機械定位及單向節(jié)流閥加氣缸端部緩沖的速度控制方式相比 ,可以達到最佳的速度和緩沖效果 ,大幅度地降低氣缸的動作時間 ,縮短工序節(jié)拍 ,提高生產(chǎn)率 ,因而具有廣泛的應用前景。 隨著機械系統(tǒng)工作精度、響應速度和自動化程度的提高 ,對氣動控制技術的要求也越來越高。但是由于氣動比例系統(tǒng)具有的非線性特性 ,僅靠提高元件的性能來改善系統(tǒng)的動態(tài)特性是不夠的 ,有些特性是氣動系統(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一步深入探索。 哈爾濱工業(yè)大學（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方面分析國內(nèi)外對氣動位置伺服系統(tǒng)的研究現(xiàn)狀。 . 控制元件研究現(xiàn)狀 氣動伺服位置控制系統(tǒng)按其氣動元件組成系統(tǒng)的機械結構形式不同分以下幾種。 (1)進出口聯(lián)動控制的閥控缸系統(tǒng) 由一個比例換向閥 (或伺服閥 )控制一個氣缸，如圖 11 所示。結構比較簡單、運動速度快 ,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 進出口聯(lián)動控制的閥控缸系統(tǒng) 美國萊特州立大學將多層神經(jīng)網(wǎng)絡用于進出口聯(lián)動的氣動伺服位置控制系統(tǒng)的軌跡跟蹤。建立一個氣缸的模型，為前饋多層神經(jīng)網(wǎng)絡控制器提供訓練數(shù)據(jù)。多層神經(jīng)網(wǎng)絡被設計消除氣缸動力并與比例反饋控制器結合來控制缸的運動。通過一系列氣缸勻速運動軌跡訓練多層 神經(jīng)網(wǎng)絡，合成控制器可以使模型跟蹤在訓練過的狀態(tài)空間里的勻速運動軌跡 [l]。針對建立精確的氣缸模型和用額外的軌跡 /閥輸出關系尋找輸入 /輸出數(shù)據(jù)的缺點 ,采用自適 哈爾濱工業(yè)大學（威海）本科生畢業(yè)論文 3 應多層神經(jīng)網(wǎng)絡來實現(xiàn)氣缸的運動軌跡跟蹤控制 ,需要注意的是使用兩種自適應多層神經(jīng)網(wǎng)絡。離線自適應多層神經(jīng)網(wǎng)絡用于初始訓練 ,并且適合于系統(tǒng)發(fā)生重大變化的場合。在線自適應多層神經(jīng)網(wǎng)絡適合于在存在輕微變化時精確調(diào)整其權值 ,逐漸提高多層神經(jīng)網(wǎng)絡的性能。自適應多層神經(jīng)網(wǎng)絡方法允許用多層神經(jīng)網(wǎng)絡學習更復雜的軌跡?？刂破鞯?PI 部分將補償未訓練的多層神經(jīng)網(wǎng)絡 ,直到多層神 經(jīng)網(wǎng)絡已經(jīng)學習到新系統(tǒng)的動力學特性 [2]。 美國范德比爾特大學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際的用非線性觀測器重構壓力狀態(tài)來達到實際目的的系統(tǒng)中存在重要的奇異點 [3]。提出兩種基于李雅普諾夫的壓力觀測器 ,第一個方法是由狀態(tài)方程推出的基于能量的穩(wěn)定壓力觀測器。另一個方法是結合輸出誤差控制觀測到的壓力值收斂。仿真和實驗結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利用滑模觀測器的氣動系統(tǒng)的一種基于反饋線性化的變結構控制器。利用滑模控制理論的魯棒影響和氣動系統(tǒng)的結構特性，設計一個非線性控制器實現(xiàn)在有限時間里使輸出的跟隨誤差變?yōu)榱?。通過補償氣缸中摩擦力對活塞的影響得到關于有界模型和參數(shù)不確定的強魯棒性。該控制器和觀測器是建立在三階非線性氣動系統(tǒng)模型上的，該模 型 由Acarman 等提出并通過實驗數(shù)據(jù)進行了驗證。仿真結果證明了設計的觀測器的有效性和設計的控制器的良好表現(xiàn) [5]。 德國卡塞爾大學研究具有時變垂直載荷的氣動伺服位置控制。通過真實應用用非線性系統(tǒng)的輸入輸出測量值進行系統(tǒng)辨識方法研究，該方法是以一個混合 的多模型結構為基礎，該結構描述了整個工作范圍的系統(tǒng)全部運行狀況。在不同的工作點，通過有限的輸入輸出信號測量值在頻域內(nèi)辨識 20個局部線性化黑箱模型。并由物理規(guī)律和幾個過程狀態(tài)的測量來估算未知參數(shù)推出系統(tǒng)的灰色模型，與黑箱模型進行對比研究 [6]。為了使位置控制精度與活塞位置和負載變化無關 ,對于每個局部線性化模型，都推出一個狀態(tài)反饋控制器。最終的系統(tǒng)控制器設計成一個具有模糊增益調(diào)度局部狀態(tài)反饋控制器的程序。實驗結果證實該控制器能處理設備中的主要非線性和不同負載，而且在每個實驗階段都能保持連續(xù) [7]。 加拿 大馬尼托巴大學用定量反饋理論設計了一個簡單有效的位置控制 哈爾濱工業(yè)大學（威海）本科生畢業(yè)論文 4 器。提出一個簡單的動態(tài)反饋固定增益 PI 控制，來保證滿足一個優(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)外設計方法，避免一個不必要的復雜的外環(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和干擾力的每步變化的響應角度檢查內(nèi)回路反饋的優(yōu)點。仿真結果清晰表明內(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 [8]。 加拿大麥克馬斯特大學文中研究了影響一個由中位全開的伺服閥控制的氣動伺服系統(tǒng)穩(wěn)定誤差的原因。給出了設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償方法。當與一種新型的PVA/PV 控制方法結合，在實驗中證實穩(wěn)態(tài)誤差 為 177。， 比先前記錄的此類系統(tǒng)的實驗結果提高了十倍。系統(tǒng)在帶 ，不需重新調(diào)控制器，就能實現(xiàn)這一目標 [9]。得到的氣動伺服系統(tǒng)非線性動力學模型的方法，模型包括缸的動力、有效載荷運動、摩擦力和閥特性。還描述了通過簡單的實驗來估算模型參數(shù)的方法。表明標準質(zhì)量流量閥模型不符合中位全開的比例閥。建立了一個更符合實驗數(shù)據(jù)的新型閥模型。提出的建模方法不需要專 門的測量設備或拆卸系統(tǒng)硬件。在連續(xù)使用的氣動伺服系統(tǒng)中這是個優(yōu)勢。文中實驗結果證明了該模型預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? 控制策略應用于氣壓伺服系統(tǒng)。其引入反饋線性化把具有強非線性的氣壓伺服系統(tǒng)轉化為偽線性系統(tǒng) ,采取 H? 控制 ,處理由于模型不準確、運行參數(shù)的攝動等引起的魯棒性問題[11]。 (2)兩腔 獨立控 制的閥控缸系統(tǒng) 由于兩腔獨立控制 ,因此具有兩個控制量 ,除了控制位置之外 ,另一個控制量可以用來控制背壓、控制剛度。其又有三種不同的結構形式 :其一 ,由兩個比例換向閥控制一個氣缸圖 12。要求計算流量反饋 。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、負載力的性質(zhì)及比例閥的參數(shù)等諸多因素有關。優(yōu)點是頻率響應快 ,可以實現(xiàn)高精度控制。其二 ,由兩個比例減壓閥控制一個氣缸如圖 13。氣體可壓縮性大使得比例壓力閥出現(xiàn)滯后 ,為解決兩個比例閥同時受控時出現(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)學模型。優(yōu)點 是不需要考慮壓 哈爾濱工業(yè)大學（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 ,由兩個或兩個以上的高速開關閥控制一個氣缸如圖 14。具有非解析的數(shù)學模型 ,需要采用線性狀態(tài)空間平均或非線性狀態(tài)平均方法來轉化成等價的時間連續(xù)動力學方程 。有死區(qū) ,壓差一占空比曲線原點處具有非線性特性 ,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)點是價格便宜、系統(tǒng)抗干擾能力強。 圖 12 兩個比例換向閥控制氣缸系統(tǒng) 圖 13 兩個比例減壓閥控制氣缸系統(tǒng) 圖 14 多個高速開關閥 控制氣缸系統(tǒng) 哈爾濱工業(yè)大學（威海）本科生畢業(yè)論文 6 法國 INSA Lyon 大學 ， Smaoui M， Brun X 等人針對一階滑模控制主要的一個問題是抖振現(xiàn)象。提出一種在電氣系統(tǒng)中位置控制中應用的二階滑模控制方法。證明通過這種方法可以避免抖振現(xiàn)象，同時還能保持與一階滑?？刂葡嗤聂敯粜?[12]。對采用兩個三通比例閥系統(tǒng)。一般情況下，這兩個閥的輸入符號相反時，它們的控制方式，應該相當于一個五通比例閥。在這種情況下，可以建立一元控制法則。但是，有兩個三通閥的系統(tǒng)可以控制兩個不同的軌跡。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，提出了兩個基于一階和二階滑?？刂平M合的控制法。文中介紹了實驗結果，并進行討論分析 [13]。近幾年，反步設計技術作為一種非線性控制技術，吸引了大批研究者興趣。但它主要應用于嚴格反饋系統(tǒng)。提出了一種電子 氣動系統(tǒng)的新型反步控制器。應該注意的是該系統(tǒng)的模型是半嚴格反饋形式。然后，提出一種修改方法，并在實驗測試平臺上合成實現(xiàn)該方法 [14]。 日本立命館大學采用以模型為基礎的滑?？刂品椒ǖ臍鈩訄?zhí)行元件，提出新型自適應控制算法。該設計以完整的四階非線性動力學方程為基礎。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數(shù)作為狀態(tài)量。給出自適應估計未知參數(shù)的方法。該控制器很容易實現(xiàn)，而且對負載和參數(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)中實現(xiàn)該新方案[15]。 美國范德比爾特大學將用于氣動伺服控制的標準四通滑閥解耦成兩個三通閥，然后采用兩個自由度同時滿足性能約束（基于滑?？刂疲┖凸?jié)能動態(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，實驗結果表明所