【導讀】術在機器人、工業(yè)自動化和醫(yī)療機械等領域具有廣泛的應用前景。如何提高氣動位置伺服系統(tǒng)的定位精度仍是當前氣動技術研究的。本論文以一個雙作用氣缸的氣動伺服系統(tǒng)為研究對象,以實。對實際氣體進行描述，基于能量方程建立了相應的質量流量特性方程?？刂扑惴ɡ没趦?nèi)能反饋的PD控制算法實現(xiàn)了對活塞位置和氣缸。左右腔氣壓同時調節(jié)的控制目標。服系統(tǒng)的動態(tài)特性進行仿真研究。得到控制器各參數(shù)對氣動伺服系統(tǒng)動態(tài)特。利用ActuatorConstraint工具箱對氣動伺服控制系統(tǒng)進行優(yōu)。在此基礎上，針對位移負載、氣源壓力和質量負載對活塞定位位置。伺服系統(tǒng)實驗平臺。提出一種新型的方法，確定比例閥的中位電壓和死區(qū)，求出穩(wěn)定壓力與控制電壓間的規(guī)律。對摩擦力進行非線性擬合，獲得摩擦力

　　

【正文】 速增大，由于氣源壓力為 ， 因此驅動腔壓力無法超過這一壓強。隨著兩腔壓力差越來越大，活塞最終克服最大靜摩擦力開始運動，由于驅動腔體積增大，使驅動腔 哈爾濱工業(yè)大學（威海）本科生畢業(yè)論文 25 壓力下降，而背壓腔體積減小，使背壓腔壓力下降趨勢變緩。當活塞運動當活塞受到的合力反向后，速度開始下降。最終活塞停止運動。 圖 37 氣動伺服系統(tǒng)運動特性仿真曲線 圖 38 氣動伺服系統(tǒng)能量仿真曲線 哈爾濱工業(yè)大學（威海）本科生畢業(yè)論文 26 圖 38 為氣缸從 0m 到 的氣動伺服系統(tǒng)能量的變化曲線， x0=0m,其他參數(shù)都同上。開始時，由于活塞 靜止于起始端點，驅動腔內(nèi)能由公式（ 226）可求得等于 ，背壓腔內(nèi)能由公式（ 227）求得等于 ，動能等于 0J，摩擦損失為 0J。由于由于兩腔的能量差值與目標值差距最大，所以控制電壓與基準電壓的差值最大，進氣流量和排氣流量達到最大，隨著氣缸腔內(nèi)能與目標值差值減小，閥口開度減小，進氣流量和排氣流量減小，驅動腔和背壓腔內(nèi)氣體內(nèi)能變化曲線放緩，最終達到目標值，不再改變。充入驅動腔的氣體一部分用于增加腔內(nèi)氣體的內(nèi)部化學能，一部分對外做膨脹功能推動活塞運動。其中所做膨脹功也分為了三部分：一部分轉 化成了活塞動能，一部分為摩擦力做功轉化成內(nèi)能散失，還有一部分對背壓腔氣體壓縮做功，提高背壓腔氣體內(nèi)能。摩擦力做功損失能量，可由其計算公式求得，單調遞增；活塞動能隨速度變化，先增大后減小，最終活塞在目標位置停止運動，動能重新變?yōu)榱恪? . 定位精度影響因素分析 影響氣動比例系統(tǒng)工作性能的因素有很多 ,如氣源壓力、位移負載及工作負載等 ,這些因素對系統(tǒng)的性能的影響是非常復雜的 ,而且這些因素對系統(tǒng)的影響大小程度也是不同的 ,在對氣動伺服系統(tǒng)的仿真研究基礎上，對影響活塞定位精度的因素進行分析，為下一步進行實驗研究提供依據(jù)。 圖 39 為氣動伺服位移變化曲線，位移初始位置為 x0=0m，目標位置 xd取 — 六個值，目標位置不同對位移響應的影響如圖 39 所示，隨目標位置增大，調節(jié)時間加長。目標位置不同對速度響應的影響如圖 310所示，隨目標位置增大，活塞運動的最大速度也跟著增大，其中當 t后，由于活塞速度變大，驅動腔壓力有所下降，活塞加速度變小，速度增加緩慢。目標位置不同對定位精度的影響如圖 311 所示，隨目標位置增大，氣動伺服活塞定位精度逐漸增大， xd在 到 ，誤差變化率較大，大于 后誤差 變化較小。 由于沒有考慮比例閥的死區(qū)泄露和摩擦力非線性特性對定位精度的影響，得到的定位精度普遍較高，通過下一步實驗辨識，對摩擦力和死區(qū)泄露進行補償，完善模型，再進行研究。 哈爾濱工業(yè)大學（威海）本科生畢業(yè)論文 27 圖 39 氣動伺服位移變化曲線 圖 39 氣動伺服速度變化曲線 哈爾濱工業(yè)大學（威海）本科生畢業(yè)論文 28 圖 310 定位誤差變化曲線 圖 311 氣源壓力對位移的影響曲線 哈爾濱工業(yè)大學（威海）本科生畢業(yè)論文 29 如圖 311 氣源壓力對位移響應的影響曲線，初始位置 x0=0m, xd=,氣源壓力從 開始增加，直至 ,由圖 311 可以看出隨著氣源壓力的增大，系統(tǒng)響應加快，活塞速度增 大，調節(jié)時間縮短。 圖 312 氣源壓力對定位精度的影響曲線 如圖 312 所示，隨著氣源壓力的增大，定位誤差逐漸減小。當活塞運動到目標位置左右時，由于摩擦力的存在以及氣體的可壓縮性 ,系統(tǒng)在氣源壓力較低的情況下 ,克服系統(tǒng)摩擦力需要較長的時間 ,影響系統(tǒng)的定位精度。提高氣源壓力 ,系統(tǒng)克服摩擦力的能力提高 ,系統(tǒng)的滯后時間縮短 ,有利于提高氣動系統(tǒng)的剛度 ,提高系統(tǒng)的定位精度。 圖 313 為負載質量對位移響應的影響曲線，初始質量包括活塞、活塞桿和外部滑動結構，由 Solidworks 建立三維模型，測得質量為 。附加質量依次增加 1kg，如圖 313 所示，對于負載質量的增加，活塞位移響應曲線變化較小，說明該氣動伺服系統(tǒng)對負載質量變化有一定的強壯性。 在開始階段如圖 314，質量小響應越迅速，緩沖結束部分如圖 315，質量越小，系統(tǒng)時滯越小，速度下降更快。 哈爾濱工業(yè)大學（威海）本科生畢業(yè)論文 30 圖 313 負載質量對位移的影響曲線 圖 314 負載質量對位移的影響曲線 哈爾濱工業(yè)大學（威海）本科生畢業(yè)論文 31 圖 315 負載質量對位移的影響曲線 圖 316 負載質量對定位精度的影響曲線 圖 316 負載質量對定位精度的影響曲線，如圖所示，隨著附加質量的 哈爾濱工業(yè)大學（威海）本科生畢業(yè)論文 32 增大，位移誤差逐漸減小，隨著負 載質量增加 ,其慣性增大，系統(tǒng)的滯后時間延長，活塞運動的位移逐漸增大。由于采用 PD 控制算法，無法消除靜態(tài)誤差，所以隨著負載質量增大，定位誤差會先逐漸減小。 . 本章小結 在 MATLAB 的 SIMULINK 模塊中建立了氣動伺服仿真模型，對氣動伺服系統(tǒng)的動態(tài)特性進行仿真研究。得到控制器各參數(shù)對氣動伺服系統(tǒng)動態(tài)特性影響的曲線。利用 Actuator Constraint 工具箱對氣動伺服控制系統(tǒng)進行優(yōu)化設計。在此基礎上，針對位移負載、氣源壓力和質量負載對活塞定位位置精度的影響，進行了仿真分析。 由于沒有考慮比例閥的死區(qū)泄露和摩 擦力非線性特性對定位精度的影響，得到的定位精度普遍較高，通過下一步實驗辨識，對摩擦力和死區(qū)泄露進行補償，完善模型，再進行研究。 哈爾濱工業(yè)大學（威海）本科生畢業(yè)論文 33 第 4章 氣動伺服系統(tǒng)實驗研究 氣動伺服系統(tǒng)實驗平臺主要包含機械系統(tǒng)設計、氣動系統(tǒng)設計、控制系統(tǒng)設計，其中機械系統(tǒng)主要包含動力單元和導向單元；氣動系統(tǒng)主要是由氣源、過濾減壓閥和比例流量閥、氣缸構成的氣動回路系統(tǒng)，控制系統(tǒng)包含軟件和硬件平臺。 . 機械系統(tǒng)設計 氣動伺服系統(tǒng)機械機構部分設計，系統(tǒng)應包含執(zhí)行機構氣缸，保證運動方向的直線導軌，和安裝負載的滑架結構，為保證兩導軌的平行度，應為其設計安裝 底板。還有其他傳感器的連接件及滑架與活塞桿的連接結構。裝配體圖如圖 41 所示。 1位移傳感器 2懸浮頭 3壓力傳感器 4直線導軌 5滑塊 6氣缸 圖 41 機械系統(tǒng)設計 哈爾濱工業(yè)大學（威海）本科生畢業(yè)論文 34 . 氣動系統(tǒng)設計 目前，以直線氣為執(zhí)行元件的氣動位置伺服系統(tǒng)主要有氣缸兩腔聯(lián)動控制和氣缸兩腔獨立控制兩種結構形式。前者用一個五通比例方向閥控制一個氣缸 ,如圖 所示 ,一腔充氣時另一腔放氣 ,系統(tǒng)結構簡單 ,缺點是耗氣量大、背壓腔壓力和系 統(tǒng)的閉環(huán)剛度不可控 。后者釆用兩個比例方向閥或兩組高速開關閥控制一個氣缸 ,如圖 所示 ,由于氣缸兩腔的充放氣過程被獨立控制 ,系統(tǒng)具有兩個控制量 ,多出來的一個控制量，可以用于控制系統(tǒng)的閉環(huán)剛度或其它變量。 由于氣動伺服系統(tǒng)基于能量控制，需要對氣缸左右腔壓力和活塞位置進行同時控制，所以如圖 42 所示。其氣動系統(tǒng)主要由兩個比例流量閥、過濾減壓閥、氣缸和氣源構成。 圖 42 氣動回路設計 . 控制系統(tǒng)設計 氣動伺服控制系統(tǒng)硬件部分采用研華 IPC610L 型 號工控機，內(nèi)插研華PCI1716 數(shù)據(jù)采集卡 (16 路 16 位 A／ D 和 2 路 16 位的 D／ A)。系統(tǒng)采集的信號通過傳感器、接口板及 A／ D 板輸入計算機，傳感器包括氣缸位移傳感 哈爾濱工業(yè)大學（威海）本科生畢業(yè)論文 35 器、氣缸兩腔壓力傳感器?？刂菩盘栍?D／ A 板輸出，經(jīng)接口板、比例流量閥對氣缸活塞的運動進行控制 。控制系統(tǒng)接線圖如圖 43 所示。 圖 43 控制系統(tǒng) 線路 圖 控制系統(tǒng)程序開發(fā)， 為便于日后設計其控制系統(tǒng)的軟件平臺， 采用 C++進行編程。 Visual C++是 Microsoft 公司推出的支持可視化編程的集成環(huán)境。它包含兩方面的含義 :一是可視化 ,二是利用計算 機圖形技術和方法 ,對大量的數(shù)據(jù)進行處理 ,并用圖形圖像的方式形象而具體地加以顯示。它不僅是C/C++語言的集成環(huán)境 ,而且與 Winn32 緊密相連 ,功能相當強大 ,代碼效率很高 ,可以實現(xiàn)從底層直到上層直接面向用戶的軟件。 控制程序的流程如圖 44 所示，具體程序見附錄一。 圖 44 控制程序流程框圖 . 實驗平臺搭建 氣動伺服系統(tǒng)機械機構部分采用 SMC 雙作用單桿氣缸(CDA1LN40600N)作為執(zhí)行元件。由于位移傳感器采用 MTS 公司的磁致伸縮位移傳感器 (RPM1000MD601V010100)來檢測氣缸的位移與速度 。采用Lance 公司的加速度傳感器（ LC0703），直線導軌采用 SAMICK 公司的LM30X830，導軌支座 SK30，滑架 SC30WUU?；钊麠U與滑架的連接采用SMC 的球鉸連接 JAF4014150。壓力傳感器采用北京昆侖海岸傳感技術中心的 JYBKOKVG 。 其中比例流量閥采用 FESTO 公司 的MPYE51/4010B，過濾減壓閥采用 FESTO 公司 的 LOEDMINI B443。氣動伺服系統(tǒng)實驗平臺實物圖如圖 45 所示。 哈爾濱工業(yè)大學（威海）本科生畢業(yè)論文 36 圖 45 氣動伺服系統(tǒng)實驗臺實物圖 安裝時兩條直線導軌必須保證一定的平 行度 ,并且對以氣缸為中心線的對稱度有較高的要求。裝配完成后必須保證用手推動負載能平滑運動 ,不出現(xiàn)摩擦力不均勻或爬行的情況。 其中兩個比例流量閥分別用來控制氣缸兩個腔室內(nèi)氣體的流量。做試驗前 ,應盡量保證比例閥和氣缸處于垂直位置，氣缸高速運動產(chǎn)生的振動對比例閥的閥芯位置即其開度產(chǎn)生影響。 另外要保證傳感器、比例閥連線不要有松動現(xiàn)象 ,以免噪聲串入 ， 并且傳感器的信號線的屏蔽線采用一端接地一端懸空，以免噪聲串入。 . 傳感器的標定 氣體壓力傳感器受環(huán)境溫度和外界大氣壓力等因素的影響，需要對其進行重新標定。圖 4 47 為對氣體壓力傳感器輸出進行測量，并對測量得到的數(shù)據(jù)進行擬合的效果圖。 哈爾濱工業(yè)大學（威海）本科生畢業(yè)論文 37 0 0. 5 1 1. 5 200. 10. 20. 30. 40. 5左腔壓力傳感器輸出壓力 U p 1 / V( 7499913533470059 x )/ 36028797018963968 2800871517651231 / 576460752303423488左腔相對壓力p1/Mpa 圖 46 左腔壓力傳感器擬合直線 0 0. 5 1 1. 5 200. 10. 20. 30. 40. 5右腔壓力傳感器輸出電壓 U p 2 / V( 5165 x )/ 24819 2710349569048137 / 288230376151711744右腔相對壓力p2/Mpa 圖 47 右腔壓力傳感器擬合直線 左腔壓力傳感器擬合直線為 110. 20 24 0. 00 99ppu?? 右腔壓力傳感器擬合直線為 哈爾濱工業(yè)大學（威海）本科生畢業(yè)論文 38 220 .2 0 1 0 .0 1 0 4ppu?? 式中 p1u —— 上腔壓力傳感器輸出電壓（ V）； p2u —— 下腔壓力傳感器輸出電壓（ V）。 . 比例閥的中位 死區(qū) 本論文 要求氣缸達到目標位置時 ，壓力為恒壓，所以閥芯必定停在死區(qū)內(nèi)。 使用的比例換向閥型號為 MPYE51/4010B(FESTO 公司 ),具有一定的中位死區(qū) ,中位電壓有偏置，并不是理想的 5V， 若要得出比例閥泄漏的精確模型 ,實現(xiàn)快速高精度的氣動伺服控制，則必須求出其中位 電壓 。 中位電壓的獲取目前有以下方式 ： (一 )采用流量傳感器分別測取不同控制電壓下端口 A 和端口 B 的流量曲線 ,從而通過求平均獲取中位電壓 ； (二 )將比例閥的端口 A 和端口 B 分別和低摩擦或無摩擦的雙活塞桿氣缸兩端相連 ,從端口 A進氣的控制電壓與從端口 B進氣的控制電壓產(chǎn)生的速度相同時 ,其控制電壓的平均值就是中位電壓。 在采用方式 (二 )，分將比例流量閥兩端口與實驗所用氣缸兩腔相連，得出兩比例流量閥的中位電壓。當采用兩閥同時控制氣缸時，兩閥都處于中位電壓狀態(tài)，活塞速度無法降為零。針對上述現(xiàn)象提出一種新的方式，來獲取比例閥的中位電壓。相對于前兩種方式，試驗裝置不需要額外的元件。 比例閥的控制電壓以 5V 為基準，每次加減 ，得到在不同控制電壓下比例閥兩端口輸出氣體的穩(wěn)定壓力如圖 48。從壓力響應曲線可以看出，在中位電壓附近 — + 變化平緩，基本上為線性 。在 — 和 — 兩段劇烈變化 ,這一段為閥口遮蓋與閥口開啟的交界處 。當控制電壓超出 時 ,閥口完全開啟 ,端口 4 壓力等于氣源壓力 ,端口 2 壓力等于大氣壓力；當控制壓力小于 時，閥口反向完全開啟，端口 4 壓力等于大氣壓力，端口 2 壓力等于氣源壓力。當比例閥處于中位電壓狀態(tài)時，兩輸出端口開度相同，輸出壓力應該相同。可以得閥 1 的中位電壓