【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 耗能量有明顯下降，且從本質(zhì)上來(lái)說(shuō)，該方法相對(duì)于控制標(biāo)準(zhǔn)的四通滑閥并沒(méi)有犧牲跟蹤性能 [16]。 中國(guó)空軍工程大學(xué)提出一種基 于預(yù)測(cè)模型的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)自適應(yīng)控制算法 ,具體由一個(gè)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制器和一個(gè)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型預(yù)測(cè)器組成，此控制策略對(duì)于具有強(qiáng)烈非線性和參數(shù)不確定性的氣動(dòng)伺服系統(tǒng)行之有效 [17]。 由于 IPD 控制器的良好性能，作為過(guò)程控制，它被廣泛應(yīng)用。然而，如果被控對(duì)象存在時(shí)滯，將很難確定 IPD 控制的增益。在此，日本明治大學(xué)提出一種自校正 IPD 控制器，并列出仿真和實(shí)驗(yàn)結(jié)果證明該方法的有效 哈爾濱工業(yè)大學(xué)（威海）本科生畢業(yè)論文 7 性 [18]。為了解決氣動(dòng)伺服系統(tǒng)中的非線性問(wèn)題 ， Song J， Bao X 等人提出一種基于多倍擴(kuò)展卡爾曼算法 (MEKA)訓(xùn)練的多層神經(jīng)網(wǎng)絡(luò) (MNN)的控制策略。對(duì)該控制器的測(cè)試結(jié)果表明它具有優(yōu)越的性能。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明該方法比簡(jiǎn)單的梯度下降訓(xùn)練算法訓(xùn)練的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)要不敏感 [19]。 Song J， Ishida Y. 針對(duì)氣動(dòng)伺服系統(tǒng)提出一種魯棒滑?？刂频姆椒?。通過(guò)使用李雅普諾夫穩(wěn)定理論和氣動(dòng)伺服系統(tǒng)一些結(jié)構(gòu)特性 ,設(shè)計(jì)一個(gè)魯棒滑模控制器以致當(dāng)時(shí)間趨向無(wú)窮大時(shí) ,輸出跟蹤誤差保證進(jìn)入任意的邊界層鄰域內(nèi) ,并且對(duì)較大的不確定性保證強(qiáng)的魯棒性。采用該控制方案的氣動(dòng)伺服系統(tǒng)有很強(qiáng)的魯棒性。這不僅是因?yàn)閯?dòng)態(tài)誤差對(duì)滑模中不確定因素不敏感，而且在控制器設(shè)計(jì)中只用到系統(tǒng)中不確定因素 的邊界值。在仿真和實(shí)際系統(tǒng)中的應(yīng)用結(jié)果都證明了該控制器的優(yōu)秀性能 [20]。 中國(guó)北京理工大學(xué)建立了兩個(gè)比例減壓閥獨(dú)立控制的氣動(dòng)伺服位置控制系統(tǒng) ,其氣缸為低摩擦缸 [21]。氣動(dòng)伺服系統(tǒng)存在滯后性，使兩個(gè)比例閥同時(shí)受控時(shí)出現(xiàn)的控制效果不佳 ,彭光正等人通過(guò)固定一個(gè)比例閥電壓而簡(jiǎn)化數(shù)學(xué)模型。先采用增量式 PID 控制 ,系統(tǒng)最小超調(diào)可以達(dá)到 %,最小重復(fù)穩(wěn)態(tài)精度可以達(dá)到 。 壓力控制對(duì)提高控制性能不可或缺，日本岡山大學(xué)采用 PCM 閥研究了壓力控制的定位控制系統(tǒng)。將兩個(gè)干擾觀測(cè)器應(yīng)用在定位系統(tǒng)，來(lái)提高壓力響應(yīng)和補(bǔ) 償摩擦力和參數(shù)變化的影響。最終，提高了對(duì)有效載荷的魯棒性和定位精度 [22]。 日本神戶(hù)大學(xué)用高速開(kāi)關(guān)閥在氣缸中實(shí)現(xiàn)高精度定位為了使氣缸在負(fù)載 (或速度 )改變的情況下 ,速度 (或力 )的輸出特性保持相同 ,采用動(dòng)態(tài)阻抗匹配的方法使氣動(dòng)執(zhí)行元件對(duì)于負(fù)載變化更加魯棒性 [23]。 美國(guó)范德比爾特大學(xué)提出一種脈寬調(diào)制控制氣動(dòng)系統(tǒng)的建模和設(shè)計(jì)控制的方法。采用線性狀態(tài)空間平均技術(shù)建立一個(gè) PWM 氣動(dòng)模型。將非連續(xù)開(kāi)關(guān)模型轉(zhuǎn)化成一個(gè)連續(xù)模型，使模型用標(biāo)準(zhǔn)的非線性控制設(shè)計(jì)技術(shù)容易處理。利用這個(gè)模型直接地解決穩(wěn)定魯棒性和性能帶寬的問(wèn)題。 實(shí)驗(yàn)上證明了該技術(shù)對(duì)氣動(dòng)定位系統(tǒng)單自由度的控制作用 [24]。 加拿大麥克馬斯特大學(xué)采用一種新型 PWM 脈沖控制算法，可以用開(kāi)關(guān)電磁閥代替昂貴的伺服閥。通過(guò)理論和實(shí)驗(yàn)證明閥的開(kāi)環(huán)特性是近似對(duì)稱(chēng) 哈爾濱工業(yè)大學(xué)（威海）本科生畢業(yè)論文 8 的。通過(guò)比較標(biāo)準(zhǔn)的 PWM 控制技術(shù)和新式的 PWM 控制技術(shù)它們的開(kāi)閉環(huán)響應(yīng)，表明該方法隊(duì)控制性能有明顯提升。用系統(tǒng)辨識(shí)方法從實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)中獲得了線性過(guò)程模型。成功實(shí)現(xiàn)了帶摩擦力補(bǔ)償和位置反饋的 PID 控制器。從 to 64 mm 經(jīng) 180ms 可達(dá)到 的穩(wěn)態(tài)誤差。跟蹤幅度為 64mm 的曲線，跟蹤誤差小于 加六倍，該控制器也具有魯棒性。執(zhí)行機(jī)構(gòu)的超調(diào)量與其他采用伺服閥研究的結(jié)果相似 [25]。 中國(guó)浙江大學(xué)采用高速開(kāi)關(guān)閥的脈碼調(diào)制技術(shù)實(shí)現(xiàn)氣動(dòng)伺服位置控制 ,采用 PID 控制方法 ,分析參數(shù)對(duì)系統(tǒng)性能的影響 [26]。并用氣動(dòng) PCM 控制 ,即用有效截面積不同的開(kāi)關(guān)閥組來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)機(jī)械臂的伺服控制 ,并使用模糊算法進(jìn)行控制。 中國(guó)哈工大很早就開(kāi)始研究脈沖編碼調(diào)制實(shí)現(xiàn)電一氣開(kāi)關(guān) /伺服控制。在基于高速開(kāi)關(guān)閥氣動(dòng)位置控制系統(tǒng)上 ,采用修正差動(dòng)脈寬調(diào)制的方法 ,用模糊控制 +PI 控制結(jié)合的控制策略 ,不但提高了系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能和精度 ,又提高了系統(tǒng)的 穩(wěn)定性 ,系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)誤差達(dá)到 [27]。 . 氣動(dòng)伺服系統(tǒng)建模研究現(xiàn)狀 研究氣動(dòng)伺服系統(tǒng)基本特性，建立其數(shù)學(xué)模型的方法有三種 ,分別為機(jī)理分析、系統(tǒng)辨識(shí)及機(jī)理分析與系統(tǒng)辨識(shí)相結(jié)合的建模方法。 系統(tǒng)辨識(shí)是用系統(tǒng)的輸入輸出數(shù)據(jù)所提供的信息來(lái)直接建立系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型 ,國(guó)外學(xué)者 Zorlu A.[28]、 Hjalmarsson H.[29]， 國(guó)內(nèi)學(xué)者王宣銀 [30]等人都做過(guò)氣動(dòng)伺服系統(tǒng)的辨識(shí)建模研究。因?yàn)闅鈩?dòng)位置伺服系統(tǒng)開(kāi)環(huán)不穩(wěn)定 ,上述學(xué)者都是直接對(duì)閉環(huán)系統(tǒng)進(jìn)行辨識(shí) ,采用 M 序列偽隨機(jī)信號(hào)作為辨識(shí)實(shí)驗(yàn)輸入信號(hào) ,選用 自回歸滑動(dòng)平均 (ARMAX)模型、最小二乘辨識(shí)算法。部分學(xué)者還通過(guò)實(shí)驗(yàn)研究了釆樣周期及模型階數(shù)對(duì)系統(tǒng)辨識(shí)所獲模型的質(zhì)量的影響。但是 ,氣動(dòng)伺服系統(tǒng)是復(fù)雜的非線性系統(tǒng) ,由辨識(shí)方法得到的簡(jiǎn)單線性模型掩蓋了系統(tǒng)本質(zhì) ,在此基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)的控制器性能有限 ,抗干擾能力差 ,只能用于控制精度要求不高的場(chǎng)合。 氣動(dòng)伺服系統(tǒng)的機(jī)理建模研究， Liu 等學(xué)者在上世紀(jì) 80年代發(fā)表的氣動(dòng)伺服控制文章中 ,先后建立了適用于氣缸活塞一系列位置的線性狀態(tài)空間模型 [31]。 1990年之后 ,各國(guó)學(xué)者在進(jìn)一步深入研究通過(guò)閥口的質(zhì)量流量方程、 哈爾濱工業(yè)大學(xué)（威海）本科生畢業(yè)論文 9 氣腔內(nèi)的熱力過(guò)程 的同時(shí) ,開(kāi)始更多的關(guān)注氣缸的摩擦力特性、氣缸兩腔之間的泄漏及控制閥與氣缸之間連接管路等對(duì)氣動(dòng)伺服控制的影響 ,發(fā)表了大量的論文 ,其中比較著名的是 20xx年發(fā)表的兩篇文章。為了利用比例方向閥精確控制單活塞桿氣缸的輸出力 ,模型 ,該模型考慮了氣缸兩腔之間的泄露、氣缸兩腔的死容積、控制閥和氣缸之間連接管路的延時(shí)和壓力衰減及控制閥的機(jī)械部分動(dòng)態(tài)特性等方面的影響 [32]。 . 氣動(dòng)伺服控制策略的研究現(xiàn)狀 目前，兩大類(lèi)控制策略獲得了廣泛使用 ,分別是用增益調(diào)度、最優(yōu)控制 、人工智能等技術(shù)改進(jìn)后的線性控制器和非線性魯棒控制。因此 ,下文將從這兩個(gè)方面詳細(xì)介紹氣動(dòng)伺服控制策略的研究現(xiàn)狀。 (1)線性控制策略 :因?yàn)樗惴▽?shí)現(xiàn)容易 ,研究人員一直都沒(méi)有放棄 PID、狀態(tài)反饋等線性控制策略 ,提出通過(guò)使用增益調(diào)度、最優(yōu)控制、線性魯棒控制、人工智能等手段來(lái)彌補(bǔ)其不足。 圖 27 Ning 實(shí)驗(yàn)臺(tái) Ning 建立了如圖 ,通過(guò)位置 +速度 +加速度 (PVA )反饋實(shí)驗(yàn)和理論分析指出系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)誤差主要是由氣缸靜摩擦力和閥的死區(qū)特性造成的 ,為此提出了一種氣缸摩擦力和閥死區(qū)補(bǔ)償方法 ,與 PVA控制結(jié)合 ,穩(wěn)態(tài)定位精度達(dá)到 mm。作者還通過(guò)實(shí)驗(yàn)證實(shí) PVA+前饋 +死區(qū)補(bǔ)償控制方法能以較高精度跟蹤水平和垂直兩個(gè)方向上的多重圓形和正旋曲線 ,對(duì)負(fù)載變化具有魯棒性 [33]。 Ahn 研究的高速開(kāi)關(guān)閥式氣動(dòng)位置伺服系 哈爾濱工業(yè)大學(xué)（威海）本科生畢業(yè)論文 10 統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖 ,因?yàn)殚y額定流量小 ,導(dǎo)致每個(gè)通路需并聯(lián)使用兩個(gè)閥 。Ahn 提出了一種改進(jìn)脈寬調(diào)制 (PWM)方法 ,消除了閥的死區(qū) ,釆用位置 +速度 +加速度反饋控制 ,穩(wěn)態(tài)定位誤差可達(dá) mm[34]。 圖 28 Ahn 實(shí)驗(yàn)臺(tái) 李寶仁 [35]針對(duì)高壓氣動(dòng)位置伺服系統(tǒng) ,提出釆用變?cè)?益單神經(jīng)元自適應(yīng)PID 控制器來(lái)實(shí)現(xiàn)活塞位移的實(shí)時(shí)控制 ,并通過(guò)仿真驗(yàn)證了該控制器的性能。朱春波 _使用兩個(gè)比例壓力閥控制一個(gè)無(wú)桿氣缸 ,研究了神經(jīng)網(wǎng)絡(luò) PID 控制器 ,根據(jù)連續(xù) 10次幅值為 20mm 的階躍響應(yīng) ,均方根定位誤差為 mm,重復(fù)定位精度為 177。 mm。高翔 [36]也對(duì)上述結(jié)構(gòu)型式的系統(tǒng)進(jìn)行了研究 ,提出了一種新型的自適應(yīng)模糊 +PD 控制器和一種新的基于模糊推理的摩擦力補(bǔ)償算法 ,通過(guò)一個(gè)自適應(yīng)模型參數(shù) Ma 的實(shí)時(shí)調(diào)整 ,提高了氣動(dòng)位置伺服系統(tǒng)的控制精度。薛陽(yáng)研究的氣動(dòng)位置伺服系統(tǒng)釆用兩個(gè)比例壓力閥控制一個(gè) 有桿缸 ,針對(duì)氣缸兩腔物理結(jié)構(gòu)和摩擦力特性不對(duì)稱(chēng)這一特點(diǎn) ,提出了一種基于非對(duì)稱(chēng)模糊策略的模糊 PID 控制算法 ,獲得了滿意的重復(fù)定位精度且超調(diào)量小、過(guò)渡過(guò)程時(shí)間短 。為進(jìn)一步提高系統(tǒng)對(duì)于慣性負(fù)載變化的自適應(yīng)性 ,提出一種新型的帶 a 因子的非對(duì)稱(chēng)模糊 PID 控制策略。王祖溫 [37]研究了開(kāi)關(guān)閥控氣動(dòng)位置伺服系統(tǒng)的魯棒控制 ,針對(duì)模型參數(shù)不確定、攝動(dòng)量大和負(fù)載變化范圍大等問(wèn)題 ,采用包含小閉環(huán)的 2自由度控制結(jié)構(gòu) (反饋控制 +前饋控制 ,前者用來(lái)保證穩(wěn)定性 ,后者用來(lái)保證軌跡跟蹤性能 )和定量反饋理論 (QFT),設(shè)計(jì)了線性魯棒控制器和摩擦 力補(bǔ)償器。為進(jìn)一步提高閉環(huán)系統(tǒng)性能 ,基于系統(tǒng)辨識(shí)模型設(shè)計(jì)了零相位誤差前饋控制器 (ZPETC), ZPETC 將閉環(huán)系統(tǒng)帶寬 哈爾濱工業(yè)大學(xué)（威海）本科生畢業(yè)論文 11 拓寬為 100 rad/s 左右。 (2)非線性魯棒控制： Drakunov S.[38]針對(duì)氣動(dòng)系統(tǒng)建立了一個(gè)四階非線性狀態(tài)空間模型 ,通過(guò)滑?？刂苼?lái)補(bǔ)償活塞受到的粘性摩擦力和庫(kù)倫摩擦力。 Surgenor B. W.[39]研究了連續(xù)滑?？刂圃诘谝环N結(jié)構(gòu)類(lèi)型的氣動(dòng)位置伺服系統(tǒng)中的應(yīng)用 ,定位精度達(dá)到士 ,負(fù)載在非常大范圍內(nèi)變化時(shí) ,系統(tǒng)控制性能不受影響。 Song[40]針對(duì)采用比例壓力閥分別 控制氣缸兩腔的系統(tǒng) ,提出一種魯棒滑?？刂品椒?,通過(guò)使用李雅普諾夫穩(wěn)定理論和系統(tǒng)的一些結(jié)構(gòu)特性來(lái)設(shè)計(jì)該控制器 ,當(dāng)時(shí)間趨向無(wú)窮大時(shí) ,保證跟蹤誤差進(jìn)入任意的邊界層領(lǐng)域內(nèi) ,系統(tǒng)響應(yīng)對(duì)不確定性不敏感。 Pandian[41]采用兩個(gè)比例方向閥控制一個(gè)氣缸 ,建立了以活塞位移、速度和氣兩腔壓差為狀態(tài)變量的三階線性模型 ,然后設(shè)計(jì)了滑?？刂破鞑⑹褂脡翰罘答伌婕铀俣确答仭Ｍㄟ^(guò)實(shí)驗(yàn)證實(shí)該控制器對(duì)負(fù)載變化不敏感 ,能很好的實(shí)現(xiàn)定位和軌跡跟蹤 ,穩(wěn)態(tài)定位誤差可達(dá)到士 。 Pandian 還進(jìn)一步構(gòu)造了壓力觀測(cè)器來(lái)觀測(cè)氣缸腔內(nèi)壓力 ,由 于不再需要壓力傳感器 ,節(jié)約了成本 Righettini[42]采用兩個(gè)比例方向閥控制一個(gè)單桿氣缸 ,建立了以活塞位移、速度和氣虹兩腔壓力為狀態(tài)變量的四階非線性模型 ,設(shè)計(jì)了一個(gè)基于滑模的非線性控制器 ,使得在氣缸任意行程和較大負(fù)載變化范圍內(nèi) ,均可達(dá)到較高的軌跡跟蹤精度。過(guò)實(shí)驗(yàn)比較了滑?？刂破骱汀癙VA 反饋 +前饋 +死區(qū)補(bǔ)償 ”控制策略 ,得出了前者的性能要更優(yōu)越的結(jié)論。國(guó)內(nèi)空軍工程大學(xué)的錢(qián)坤和上海交通大學(xué)的劉春元等人也對(duì)滑?？刂品椒ㄔ跉鈩?dòng)位置伺服系統(tǒng)中的應(yīng)用作了探討。 近年來(lái) ,一些文獻(xiàn)中提出將反步法用于非線性魯棒控制器設(shè) 計(jì)以進(jìn)一步減小跟蹤誤差 ,獲得了良好的效果。 Smaoui[14]利用反步法設(shè)計(jì)了非線性控制器對(duì)單活塞桿氣缸進(jìn)行控制 ,跟蹤幅值 、最大速度為 軌跡時(shí) ,最大誤差為 。但沒(méi)有測(cè)試控制器對(duì)于參數(shù)不確定性的性能魯棒性。 . 本文主要研究?jī)?nèi)容 通過(guò)對(duì)國(guó)內(nèi)外文獻(xiàn)的總結(jié)分析，在國(guó)內(nèi)外其他學(xué)者研究成果的基礎(chǔ)上，研究通過(guò)能量反饋來(lái)控制氣動(dòng)伺服系統(tǒng)，使活塞位移和左右腔壓力同時(shí)達(dá)到 哈爾濱工業(yè)大學(xué)（威海）本科生畢業(yè)論文 12 目標(biāo)值，具體的研究?jī)?nèi)容如下： (1)氣動(dòng)伺服系統(tǒng)建模 分析氣動(dòng)過(guò)程中能量轉(zhuǎn)換關(guān)系，建立氣動(dòng)伺服系統(tǒng)模型，包括氣缸動(dòng)力學(xué) 方程、摩擦力方程、能量方程、流量方程、溫度方程、閥芯動(dòng)力學(xué)方程和控制算法。 (2)氣動(dòng)伺服系統(tǒng)仿真研究 在 SIMULINK 上建立氣動(dòng)伺服系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型，優(yōu)化控制器參數(shù)，并在此基礎(chǔ)上，研究位移負(fù)載、氣源壓力和質(zhì)量負(fù)載對(duì)系統(tǒng)動(dòng)態(tài)響應(yīng)和定位精度的影響。 (3)氣動(dòng)伺服系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)研究 完成氣動(dòng)伺服系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)機(jī)械部分、氣動(dòng)回路、控制電路的設(shè)計(jì)，重新標(biāo)定傳感器，編寫(xiě)了氣動(dòng)位置伺服的控制程序和數(shù)據(jù)傳輸程序，調(diào)試程序。對(duì)系統(tǒng)的建模和仿真進(jìn)行驗(yàn)證。 哈爾濱工業(yè)大學(xué)（威海）本科生畢業(yè)論文 13 第 2章 氣動(dòng)位置伺服系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型的建立 針對(duì)由氣缸、兩個(gè)比例流量閥、工控機(jī)、兩個(gè)壓 力傳感器、位移傳感器、數(shù)據(jù)采集卡組成的氣動(dòng)位置伺服系統(tǒng)，根據(jù)熱力學(xué)、動(dòng)力學(xué)和自動(dòng)控制的的基本理論和方法建立氣缸的運(yùn)動(dòng)方程、摩擦力方程、氣缸左右腔的能量方程、溫度方程、比例閥的流量方程、控制方程，為仿真奠定必要的基礎(chǔ)。 . 氣動(dòng)伺服系統(tǒng)原理 氣動(dòng)位置伺服系統(tǒng)原理如圖 21 所示。 1位移傳感器 2氣缸 3壓力傳感器 4比例流量閥 5過(guò)濾減壓閥 6上位機(jī) 7PCI1716 數(shù)據(jù)采集卡 8負(fù)載 圖 21 氣動(dòng)位置伺服系統(tǒng)原理圖 與 氣缸 軸線平行的 位移傳感器，精確的測(cè)量活塞位置，同時(shí)采用伺服比 哈爾濱工業(yè)大學(xué)（威海）本科生畢業(yè)論文 14 例閥可以控制閥口的截面積和充放氣時(shí)間，控制部分采用 PCI1716 數(shù)據(jù)采集卡 高速 數(shù)據(jù)采集卡 。 氣缸工作過(guò)程中，位移傳感器和壓力傳感器將位移和壓力轉(zhuǎn)化成電信號(hào)，經(jīng) A/D 轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)，信號(hào)由控制板和上位機(jī)運(yùn)算處理后，再經(jīng) D/A還原成模擬信號(hào)，輸出給比例流量閥，控制閥芯位移和充放氣時(shí)間，最終實(shí)現(xiàn)活塞的運(yùn)動(dòng)控制。 . 氣缸動(dòng)力學(xué)方程 氣缸活塞受力分析如圖 22 所示。 p 2p1F fvA 1 A 2L 圖 22 氣缸活塞受力分析圖 當(dāng)合外力小于最大靜摩擦力時(shí)，活塞靜止不動(dòng)。隨著驅(qū)動(dòng)腔不斷進(jìn)氣 ，驅(qū)動(dòng)腔壓力不斷