【文章內(nèi)容簡介】 耗能量有明顯下降，且從本質(zhì)上來說，該方法相對于控制標準的四通滑閥并沒有犧牲跟蹤性能 [16]。 中國空軍工程大學(xué)提出一種基 于預(yù)測模型的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)自適應(yīng)控制算法 ,具體由一個神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制器和一個神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型預(yù)測器組成，此控制策略對于具有強烈非線性和參數(shù)不確定性的氣動伺服系統(tǒng)行之有效 [17]。 由于 IPD 控制器的良好性能，作為過程控制，它被廣泛應(yīng)用。然而，如果被控對象存在時滯，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，并列出仿真和實驗結(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]。為了解決氣動伺服系統(tǒng)中的非線性問題 ， Song J， Bao X 等人提出一種基于多倍擴展卡爾曼算法 (MEKA)訓(xùn)練的多層神經(jīng)網(wǎng)絡(luò) (MNN)的控制策略。對該控制器的測試結(jié)果表明它具有優(yōu)越的性能。實驗結(jié)果表明該方法比簡單的梯度下降訓(xùn)練算法訓(xùn)練的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)要不敏感 [19]。 Song J， Ishida Y. 針對氣動伺服系統(tǒng)提出一種魯棒滑模控制的方法。通過使用李雅普諾夫穩(wěn)定理論和氣動伺服系統(tǒng)一些結(jié)構(gòu)特性 ,設(shè)計一個魯棒滑模控制器以致當(dāng)時間趨向無窮大時 ,輸出跟蹤誤差保證進入任意的邊界層鄰域內(nèi) ,并且對較大的不確定性保證強的魯棒性。采用該控制方案的氣動伺服系統(tǒng)有很強的魯棒性。這不僅是因為動態(tài)誤差對滑模中不確定因素不敏感，而且在控制器設(shè)計中只用到系統(tǒng)中不確定因素 的邊界值。在仿真和實際系統(tǒng)中的應(yīng)用結(jié)果都證明了該控制器的優(yōu)秀性能 [20]。 中國北京理工大學(xué)建立了兩個比例減壓閥獨立控制的氣動伺服位置控制系統(tǒng) ,其氣缸為低摩擦缸 [21]。氣動伺服系統(tǒng)存在滯后性，使兩個比例閥同時受控時出現(xiàn)的控制效果不佳 ,彭光正等人通過固定一個比例閥電壓而簡化數(shù)學(xué)模型。先采用增量式 PID 控制 ,系統(tǒng)最小超調(diào)可以達到 %,最小重復(fù)穩(wěn)態(tài)精度可以達到 。 壓力控制對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)。將兩個干擾觀測器應(yīng)用在定位系統(tǒng)，來提高壓力響應(yīng)和補 償摩擦力和參數(shù)變化的影響。最終，提高了對有效載荷的魯棒性和定位精度 [22]。 日本神戶大學(xué)用高速開關(guān)閥在氣缸中實現(xiàn)高精度定位為了使氣缸在負載 (或速度 )改變的情況下 ,速度 (或力 )的輸出特性保持相同 ,采用動態(tài)阻抗匹配的方法使氣動執(zhí)行元件對于負載變化更加魯棒性 [23]。 美國范德比爾特大學(xué)提出一種脈寬調(diào)制控制氣動系統(tǒng)的建模和設(shè)計控制的方法。采用線性狀態(tài)空間平均技術(shù)建立一個 PWM 氣動模型。將非連續(xù)開關(guān)模型轉(zhuǎn)化成一個連續(xù)模型，使模型用標準的非線性控制設(shè)計技術(shù)容易處理。利用這個模型直接地解決穩(wěn)定魯棒性和性能帶寬的問題。 實驗上證明了該技術(shù)對氣動定位系統(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，可以用開關(guān)電磁閥代替昂貴的伺服閥。通過理論和實驗證明閥的開環(huán)特性是近似對稱 哈爾濱工業(yè)大學(xué)（威海）本科生畢業(yè)論文 8 的。通過比較標準的 PWM 控制技術(shù)和新式的 PWM 控制技術(shù)它們的開閉環(huán)響應(yīng)，表明該方法隊控制性能有明顯提升。用系統(tǒng)辨識方法從實驗數(shù)據(jù)中獲得了線性過程模型。成功實現(xiàn)了帶摩擦力補償和位置反饋的 PID 控制器。從 to 64 mm 經(jīng) 180ms 可達到 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]。 中國浙江大學(xué)采用高速開關(guān)閥的脈碼調(diào)制技術(shù)實現(xiàn)氣動伺服位置控制 ,采用 PID 控制方法 ,分析參數(shù)對系統(tǒng)性能的影響 [26]。并用氣動 PCM 控制 ,即用有效截面積不同的開關(guān)閥組來實現(xiàn)對機械臂的伺服控制 ,并使用模糊算法進行控制。 中國哈工大很早就開始研究脈沖編碼調(diào)制實現(xiàn)電一氣開關(guān) /伺服控制。在基于高速開關(guān)閥氣動位置控制系統(tǒng)上 ,采用修正差動脈寬調(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)誤差達到 [27]。 . 氣動伺服系統(tǒng)建模研究現(xiàn)狀 研究氣動伺服系統(tǒng)基本特性，建立其數(shù)學(xué)模型的方法有三種 ,分別為機理分析、系統(tǒng)辨識及機理分析與系統(tǒng)辨識相結(jié)合的建模方法。 系統(tǒng)辨識是用系統(tǒng)的輸入輸出數(shù)據(jù)所提供的信息來直接建立系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型 ,國外學(xué)者 Zorlu A.[28]、 Hjalmarsson H.[29]， 國內(nèi)學(xué)者王宣銀 [30]等人都做過氣動伺服系統(tǒng)的辨識建模研究。因為氣動位置伺服系統(tǒng)開環(huán)不穩(wěn)定 ,上述學(xué)者都是直接對閉環(huán)系統(tǒng)進行辨識 ,采用 M 序列偽隨機信號作為辨識實驗輸入信號 ,選用 自回歸滑動平均 (ARMAX)模型、最小二乘辨識算法。部分學(xué)者還通過實驗研究了釆樣周期及模型階數(shù)對系統(tǒng)辨識所獲模型的質(zhì)量的影響。但是 ,氣動伺服系統(tǒng)是復(fù)雜的非線性系統(tǒng) ,由辨識方法得到的簡單線性模型掩蓋了系統(tǒng)本質(zhì) ,在此基礎(chǔ)上設(shè)計的控制器性能有限 ,抗干擾能力差 ,只能用于控制精度要求不高的場合。 氣動伺服系統(tǒng)的機理建模研究， Liu 等學(xué)者在上世紀 80年代發(fā)表的氣動伺服控制文章中 ,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 ,各國學(xué)者在進一步深入研究通過閥口的質(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)的熱力過程 的同時 ,開始更多的關(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氣動伺服控制的影響 ,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和壓力衰減及控制閥的機械部分動態(tài)特性等方面的影響 [32]。 . 氣動伺服控制策略的研究現(xiàn)狀 目前，兩大類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)改進后的線性控制器和非線性魯棒控制。因此 ,下文將從這兩個方面詳細介紹氣動伺服控制策略的研究現(xiàn)狀。 (1)線性控制策略 :因為算法實現(xiàn)容易 ,研究人員一直都沒有放棄 PID、狀態(tài)反饋等線性控制策略 ,提出通過使用增益調(diào)度、最優(yōu)控制、線性魯棒控制、人工智能等手段來彌補其不足。 圖 27 Ning 實驗臺 Ning 建立了如圖 ,通過位置 +速度 +加速度 (PVA )反饋實驗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)補償方法 ,與 PVA控制結(jié)合 ,穩(wěn)態(tài)定位精度達到 mm。作者還通過實驗證實 PVA+前饋 +死區(qū)補償控制方法能以較高精度跟蹤水平和垂直兩個方向上的多重圓形和正旋曲線 ,對負載變化具有魯棒性 [33]。 Ahn 研究的高速開關(guān)閥式氣動位置伺服系 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 ,因為閥額定流量小 ,導(dǎo)致每個通路需并聯(lián)使用兩個閥 。Ahn 提出了一種改進脈寬調(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 mm[34]。 圖 28 Ahn 實驗臺 李寶仁 [35]針對高壓氣動位置伺服系統(tǒng) ,提出釆用變增 益單神經(jīng)元自適應(yīng)PID 控制器來實現(xiàn)活塞位移的實時控制 ,并通過仿真驗證了該控制器的性能。朱春波 _使用兩個比例壓力閥控制一個無桿氣缸 ,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]也對上述結(jié)構(gòu)型式的系統(tǒng)進行了研究 ,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償算法 ,通過一個自適應(yīng)模型參數(shù) Ma 的實時調(diào)整 ,提高了氣動位置伺服系統(tǒng)的控制精度。薛陽研究的氣動位置伺服系統(tǒng)釆用兩個比例壓力閥控制一個 有桿缸 ,針對氣缸兩腔物理結(jié)構(gòu)和摩擦力特性不對稱這一特點 ,提出了一種基于非對稱模糊策略的模糊 PID 控制算法 ,獲得了滿意的重復(fù)定位精度且超調(diào)量小、過渡過程時間短 。為進一步提高系統(tǒng)對于慣性負載變化的自適應(yīng)性 ,提出一種新型的帶 a 因子的非對稱模糊 PID 控制策略。王祖溫 [37]研究了開關(guān)閥控氣動位置伺服系統(tǒng)的魯棒控制 ,針對模型參數(shù)不確定、攝動量大和負載變化范圍大等問題 ,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 ,前者用來保證穩(wěn)定性 ,后者用來保證軌跡跟蹤性能 )和定量反饋理論 (QFT),設(shè)計了線性魯棒控制器和摩擦 力補償器。為進一步提高閉環(huán)系統(tǒng)性能 ,基于系統(tǒng)辨識模型設(shè)計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]針對氣動系統(tǒng)建立了一個四階非線性狀態(tài)空間模型 ,通過滑?？刂苼硌a償活塞受到的粘性摩擦力和庫倫摩擦力。 Surgenor B. W.[39]研究了連續(xù)滑?？刂圃诘谝环N結(jié)構(gòu)類型的氣動位置伺服系統(tǒng)中的應(yīng)用 ,定位精度達到士 ,負載在非常大范圍內(nèi)變化時 ,系統(tǒng)控制性能不受影響。 Song[40]針對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)特性來設(shè)計該控制器 ,當(dāng)時間趨向無窮大時 ,保證跟蹤誤差進入任意的邊界層領(lǐng)域內(nèi) ,系統(tǒng)響應(yīng)對不確定性不敏感。 Pandian[41]采用兩個比例方向閥控制一個氣缸 ,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)計了滑模控制器并使用壓差反饋代替加速度反饋。通過實驗證實該控制器對負載變化不敏感 ,能很好的實現(xiàn)定位和軌跡跟蹤 ,穩(wěn)態(tài)定位誤差可達到士 。 Pandian 還進一步構(gòu)造了壓力觀測器來觀測氣缸腔內(nèi)壓力 ,由 于不再需要壓力傳感器 ,節(jié)約了成本 Righettini[42]采用兩個比例方向閥控制一個單桿氣缸 ,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)計了一個基于滑模的非線性控制器 ,使得在氣缸任意行程和較大負載變化范圍內(nèi) ,均可達到較高的軌跡跟蹤精度。過實驗比較了滑模控制器和“PVA 反饋 +前饋 +死區(qū)補償 ”控制策略 ,得出了前者的性能要更優(yōu)越的結(jié)論。國內(nèi)空軍工程大學(xué)的錢坤和上海交通大學(xué)的劉春元等人也對滑模控制方法在氣動位置伺服系統(tǒng)中的應(yīng)用作了探討。 近年來 ,一些文獻中提出將反步法用于非線性魯棒控制器設(shè) 計以進一步減小跟蹤誤差 ,獲得了良好的效果。 Smaoui[14]利用反步法設(shè)計了非線性控制器對單活塞桿氣缸進行控制 ,跟蹤幅值 、最大速度為 軌跡時 ,最大誤差為 。但沒有測試控制器對于參數(shù)不確定性的性能魯棒性。 . 本文主要研究內(nèi)容 通過對國內(nèi)外文獻的總結(jié)分析，在國內(nèi)外其他學(xué)者研究成果的基礎(chǔ)上，研究通過能量反饋來控制氣動伺服系統(tǒng)，使活塞位移和左右腔壓力同時達到 哈爾濱工業(yè)大學(xué)（威海）本科生畢業(yè)論文 12 目標值，具體的研究內(nèi)容如下： (1)氣動伺服系統(tǒng)建模 分析氣動過程中能量轉(zhuǎn)換關(guān)系，建立氣動伺服系統(tǒng)模型，包括氣缸動力學(xué) 方程、摩擦力方程、能量方程、流量方程、溫度方程、閥芯動力學(xué)方程和控制算法。 (2)氣動伺服系統(tǒng)仿真研究 在 SIMULINK 上建立氣動伺服系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型，優(yōu)化控制器參數(shù)，并在此基礎(chǔ)上，研究位移負載、氣源壓力和質(zhì)量負載對系統(tǒng)動態(tài)響應(yīng)和定位精度的影響。 (3)氣動伺服系統(tǒng)實驗研究 完成氣動伺服系統(tǒng)實驗平臺機械部分、氣動回路、控制電路的設(shè)計，重新標定傳感器，編寫了氣動位置伺服的控制程序和數(shù)據(jù)傳輸程序，調(diào)試程序。對系統(tǒng)的建模和仿真進行驗證。 哈爾濱工業(yè)大學(xué)（威海）本科生畢業(yè)論文 13 第 2章 氣動位置伺服系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型的建立 針對由氣缸、兩個比例流量閥、工控機、兩個壓 力傳感器、位移傳感器、數(shù)據(jù)采集卡組成的氣動位置伺服系統(tǒng)，根據(jù)熱力學(xué)、動力學(xué)和自動控制的的基本理論和方法建立氣缸的運動方程、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)。 . 氣動伺服系統(tǒng)原理 氣動位置伺服系統(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過濾減壓閥 6上位機 7PCI1716 數(shù)據(jù)采集卡 8負載 圖 21 氣動位置伺服系統(tǒng)原理圖 與 氣缸 軸線平行的 位移傳感器，精確的測量活塞位置，同時采用伺服比 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，經(jīng) A/D 轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號，信號由控制板和上位機運算處理后，再經(jīng) D/A還原成模擬信號，輸出給比例流量閥，控制閥芯位移和充放氣時間，最終實現(xiàn)活塞的運動控制。 . 氣缸動力學(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，活塞靜止不動。隨著驅(qū)動腔不斷進氣 ，驅(qū)動腔壓力不斷