氣動(dòng)比例位置系統(tǒng)的控制方法及動(dòng)態(tài)特性研究.pdf

1、氣動(dòng)系統(tǒng)以其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、無(wú)污染、性價(jià)比高、維修方便及抗干擾能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于化工、醫(yī)藥、紡織、微電子、生物工程等工業(yè)自動(dòng)化領(lǐng)域中。氣動(dòng)比例技術(shù)的出現(xiàn)，使氣動(dòng)系統(tǒng)從邏輯控制領(lǐng)域擴(kuò)展到比例/伺服控制領(lǐng)域。但是由于氣動(dòng)系統(tǒng)固有的非線性、剛度小、阻尼比小以及固有頻率低等缺點(diǎn)，使得氣動(dòng)比例位置系統(tǒng)定位技術(shù)進(jìn)展緩慢，其控制精度和工作性能難以達(dá)到理想的效果，從而限制了氣動(dòng)系統(tǒng)在工業(yè)領(lǐng)域中的推廣及應(yīng)用。本文主要以提高氣動(dòng)比例系統(tǒng)的控制精度為目標(biāo)，

2、通過(guò)分析其摩擦力及動(dòng)態(tài)特性，對(duì)系統(tǒng)的摩擦非線性補(bǔ)償及智能控制策略進(jìn)行研究。 本文綜述了氣動(dòng)比例系統(tǒng)的特點(diǎn)及發(fā)展?fàn)顩r，分析了氣動(dòng)系統(tǒng)的緩沖定位技術(shù)，闡述了智能控制技術(shù)在該領(lǐng)域中的研究與應(yīng)用。在深入分析氣動(dòng)比例系統(tǒng)的工作性能及特點(diǎn)的基礎(chǔ)上，研究系統(tǒng)的摩擦機(jī)理，并且通過(guò)疊加高頻低幅顫振信號(hào)補(bǔ)償系統(tǒng)的摩擦力，結(jié)合氣動(dòng)比例系統(tǒng)的非線性特征，設(shè)計(jì)出模糊神經(jīng)元網(wǎng)絡(luò)控制器，使系統(tǒng)獲得了良好的控制精度。 首先，對(duì)氣動(dòng)比例系統(tǒng)進(jìn)行了兩種方法

3、的數(shù)學(xué)建模研究。一種方法是機(jī)理建模，即通過(guò)分析氣缸與比例方向閥的力平衡特性以及壓力-流量特性，建立了系統(tǒng)的非線性數(shù)學(xué)模型，并對(duì)模型進(jìn)行了系統(tǒng)辨識(shí)，得到了較為精確的數(shù)學(xué)模型，以便于為下一步的研究提供依據(jù)。另一種方法是基于圖形化的物理建模，通過(guò)仿真軟件AMESim，建立氣動(dòng)比例位置系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型，這種方法可以最大程度的考慮系統(tǒng)的細(xì)節(jié)問(wèn)題，從而能夠得到更加準(zhǔn)確的數(shù)學(xué)模型。由于圖形化建模是利用AMESim與Matlab/simulink的聯(lián)合仿

4、真平臺(tái)，把兩個(gè)優(yōu)秀的專業(yè)仿真工具聯(lián)合起來(lái)使用，既發(fā)揮AMESim突出的流體機(jī)械的仿真效能，又能借助MATLAB/Simulink強(qiáng)大的數(shù)值處理能力，取長(zhǎng)補(bǔ)短，取得更加完美的互補(bǔ)效果，所以本文的所有研究都是在基于圖形化物理建模的基礎(chǔ)上進(jìn)行的。 其次，研究了補(bǔ)償氣動(dòng)比例閥控缸系統(tǒng)摩擦力的理論。由系統(tǒng)的摩擦力帶來(lái)的穩(wěn)態(tài)誤差和低速爬行問(wèn)題，通常是通過(guò)提高運(yùn)動(dòng)部件的加工精度和改進(jìn)系統(tǒng)的潤(rùn)滑條件來(lái)解決。在氣動(dòng)比例系統(tǒng)中，可以通過(guò)改進(jìn)氣缸的機(jī)

5、械結(jié)構(gòu)，或者采用高精度新型氣缸等措施來(lái)減少非線性摩擦對(duì)系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)性能的影響，但是由于這種方法會(huì)使成本顯著增加，也不可能最終消除非線性摩擦，所以會(huì)影響系統(tǒng)的定位精度和軌跡跟蹤精度。仿真及實(shí)驗(yàn)研究表明，通過(guò)疊加顫振信號(hào)補(bǔ)償系統(tǒng)的摩擦力，可克服氣動(dòng)比例閥的中位死區(qū)，提高系統(tǒng)的靈敏度和動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性。 再次，針對(duì)系統(tǒng)的非線性特性，研究了氣動(dòng)比例系統(tǒng)的智能控制方法。文中分別對(duì)智能控制領(lǐng)域內(nèi)的模糊控制、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制的方法進(jìn)行了分析和仿真研究。模

6、糊控制能仿效人的模糊邏輯思維方法，允許系統(tǒng)在工作過(guò)程中某些數(shù)值型量的不精確性存在。但是模糊規(guī)則的確定對(duì)操作人員的經(jīng)驗(yàn)以及語(yǔ)言表達(dá)方式有一定的依賴性，不同人員對(duì)于問(wèn)題認(rèn)識(shí)的深度和綜合能力直接影響到模糊控制系統(tǒng)的工作性能。神經(jīng)元網(wǎng)絡(luò)通過(guò)其結(jié)構(gòu)的可變性，逐步適應(yīng)外部環(huán)境的各種因素的作用，能夠從不十分精確的輸入/輸出值描述中挖掘出研究對(duì)象之間的因果聯(lián)系，從而達(dá)到解決問(wèn)題的目的。 為了減小控制系統(tǒng)對(duì)經(jīng)驗(yàn)知識(shí)的依賴性，增強(qiáng)控制系統(tǒng)的學(xué)習(xí)能力

7、以提高控制系統(tǒng)對(duì)運(yùn)行過(guò)程中工況條件變化時(shí)的適應(yīng)能力，針對(duì)比例閥控缸對(duì)象一類的非線性、時(shí)變不確定系統(tǒng)，考慮采用神經(jīng)元網(wǎng)絡(luò)技術(shù)或模糊神經(jīng)元網(wǎng)絡(luò)技術(shù)來(lái)解決。因此，提出了一種模糊神經(jīng)元網(wǎng)絡(luò)(FNN)的控制方法，即在基本模糊控制器的基礎(chǔ)上，引入神經(jīng)元網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，利用神經(jīng)元網(wǎng)絡(luò)的學(xué)習(xí)功能結(jié)合模糊邏輯推理，以進(jìn)一步改善比例閥控缸系統(tǒng)性能、提高系統(tǒng)的適應(yīng)能力。仿真結(jié)果表明，針對(duì)該系統(tǒng)設(shè)計(jì)的模糊神經(jīng)元網(wǎng)絡(luò)控制器，能夠很好的克服外界負(fù)載擾動(dòng)對(duì)比例閥控缸系統(tǒng)的

8、影響，使系統(tǒng)的魯棒性提高。 最后，將模糊神經(jīng)元網(wǎng)絡(luò)的自學(xué)習(xí)功能和疊加顫振信號(hào)的補(bǔ)償方法相結(jié)合，對(duì)比例閥的死區(qū)進(jìn)行了補(bǔ)償實(shí)驗(yàn)研究；在對(duì)高次曲線進(jìn)行理論分析的基礎(chǔ)上，提出了采用高次曲線作為理想曲線實(shí)現(xiàn)氣動(dòng)比例閥控缸位置控制系統(tǒng)軌跡跟蹤的方法；通過(guò)研制兩自由度氣動(dòng)比例系統(tǒng)的控制程序及控制界面，實(shí)現(xiàn)了氣動(dòng)比例系統(tǒng)在平面內(nèi)的高精度軌跡跟蹤研究；單自由度系統(tǒng)定位精度控制在±0.100mm以內(nèi)，平面兩自由度連續(xù)軌跡跟蹤精度控制在±0.263m