气动旋转位置伺服控制技术的研究

论文摘要

气动技术因其特有的优点而广泛应用于自动化生产的各个领域，由于实际的需求和技术的推动，促使其向更精密的伺服控制方向发展。但是，由于气动伺服系统的强非线性，对其实现高精度的有效控制一直是个难题。迄今为止，学者们主要针对气动直线位置伺服控制进行了大量的研究，而对气动旋转位置伺服控制的研究很少。在工业自动化和机器人领域，存在大量的旋转位置伺服控制需求，因此，对气动旋转位置伺服控制的研究具有实际的应用价值。 摆动气缸是一种常见的气动旋转驱动装置，由于摆动气缸较小的行程和较大的摩擦力矩使得对其实现高性能的位置伺服控制比较难，目前摆动气缸伺服定位的精度还不能满足实际应用的需求。论文对比例流量阀控制的摆动气缸位置伺服系统的系统非线性特性的补偿方法、线性化数学模型的建立方法以及能够适应负载变化的控制策略等方面进行了深入的理论分析和实验研究。 首先基于理论分析和实验，研究了与控制过程相关的系统特性，即工作点位置、负载大小和摆动气缸两腔初始压力等工作参数以及摩擦力矩对系统特性的影响，分析了系统存在的粘滑振荡现象、位移波动现象等产生的原因。 针对比例流量阀的非线性特性和系统的位移波动现象，提出了两种相应的辅助控制方法：比例阀输入输出线性化的非线性补偿方法，位置控制+压力差辅助控制的复合控制方法。非线性补偿方法能够减弱系统的非线性强度，改善系统特性，降低系统的控制难度，也为建立更准确的线性模型打下了基础。位置控制+压力差辅助控制的复合控制方法则可以有效避免位移波动现象的发生，提高系统的定位精度。 为了避免摩擦力矩这一非线性因素对模型准确性的影响，提出了一种能够更准确地反映系统特性的线性化数学模型的建立方法。该方法在充分考虑压力差动态过程与摩擦力矩无关这一特点的基础上，将压力差动态过程用近似线性化方程表示，并与运动方程相结合构成三阶状态空间线性模型，采用系统辨识的方法确定模型参数。同时，为了补偿比例流量阀的非线性特性，提高线性模型的准确性，将比例阀非线性补偿环节和比例流量阀控摆动气缸系统看作一个整体，作为辨识对象。又考虑到系统特性与工作点位置有关这一特点，采用了定位辨识法。通过实验研究，验证了该方法的可行性。 为了解决系统在压力差反馈控制下稳态误差较大的问题，提出了比例+速度和压力差微分反馈控制方法（PVDDP）。根据所建线性化数学模型，从理论上分析了该方法的可行性。实验结果表明，PVDDP控制在工作点位置和负载变化较小时可获得较好的控制效果，但是适应负载和工作点位置大范围变化的能力较差。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 注释表
• 1 绪论
• 1.1 课题的研究意义和目的
• 1.2 气动旋转位置伺服系统的研究状况
• 1.2.1 系统非线性特性补偿方法研究状况
• 1.2.2 系统线性化数学模型研究状况
• 1.2.3 控制策略研究状况
• 1.3 有待研究解决的问题
• 1.4 论文主要研究内容
• 2 比例流量阀控摆动气缸位置伺服系统控制元件特性分析
• 2.1 摆动气缸位置伺服系统研究平台的构成
• 2.1.1 摆动气缸位置伺服系统硬件平台
• 2.1.2 控制策略研究软件平台
• 2.2 比例流量阀特性测试与分析
• 2.2.1 比例流量阀的工作原理
• 2.2.2 比例流量阀的特性测试与分析
• 2.3 摆动气缸摩擦力矩特性测试与分析
• 2.3.1 摩擦特性概述
• 2.3.2 摆动气缸摩擦力矩数学模型
• 2.3.3 摆动气缸摩擦力矩特性测试
• 2.4 本章小结
• 3 比例流量阀控摆动气缸位置伺服系统控制特性研究
• 3.1 比例流量阀控摆动气缸系统数学模型的建立
• 3.1.1 数学模型
• 3.1.2 仿真模型
• 3.1.3 模型有效性验证
• 3.2 采用PID控制研究系统特性
• 3.2.1 数字PID控制算法
• 3.2.2 工作参数对系统特性的影响
• 3.2.3 粘滑振荡现象
• 3.2.4 位移波动现象
• 3.3 摩擦力矩对系统特性的影响分析
• 3.3.1 线性化数学模型
• 3.3.2 系统稳态误差分析
• 3.3.3 摩擦力矩对系统动态特性的影响
• 3.3.4 粘滑振荡现象分析
• 3.4 本章小结
• 4 比例流量阀控摆动气缸位置伺服系统辨识建模及控制策略研究
• 4.1 比例流量阀的输入输出线性化
• 4.1.1 比例流量阀的非线性特性对系统性能的影响
• 4.1.2 比例流量阀非线性特性的线性化
• 4.2 位置控制+压力差辅助控制的复合控制方法
• 4.3 比例流量阀控摆动气缸系统辨识建模
• 4.3.1 模型结构
• 4.3.2 模型参数的辨识方法
• 4.3.3 辨识数据的获取过程
• 4.3.4 辨识实例
• 4.3.5 模型有效性验证
• 4.4 比例+速度和压力差微分反馈控制器
• 4.4.1 比例流量阀控摆动气缸位置伺服系统特性分析
• 4.4.2 比例+速度和压力差微分反馈控制
• 4.4.3 比例+速度和压力差微分反馈控制器参数确定
• 4.4.4 比例+速度和压力差微分反馈控制实验研究
• 4.5 本章小结
• 5 基于T-S模型的模糊比例+速度和压力差微分反馈控制
• 5.1 基于T-S模型的模糊控制简介
• 5.1.1 连续系统的T-S模糊模型
• 5.1.2 T-S型模糊控制器
• 5.2 基于T-S模型的模糊比例+速度和压力差微分反馈控制器设计
• 5.2.1 比例流量阀控摆动气缸位置伺服系统的T-S模糊模型建立
• 5.2.2 T-S型模糊比例+速度和压力差微分反馈控制器
• 5.3 局部线性模型的建立与局部控制器的设计
• 5.3.1 局部线性模型的建立
• 5.3.2 局部控制器的设计
• 5.4 负载转动惯量的实时估计
• 5.4.1 转动惯量的递推最小二乘估计算法
• 5.4.2 数据处理
• 5.4.3 负载转动惯量估计实例
• 5.5 T-S型模糊比例+速度和压力差微分反馈控制的实验研究
• 5.5.1 不同位置系统的响应特性
• 5.5.2 不同负载下系统的响应特性
• 5.5.3 气源压力波动时系统的响应特性
• 5.5.4 定位精度
• 5.5.5 多点定位实验
• 5.6 本章小结
• 6 结论与展望
• 致谢
• 参考文献
• 攻读博士学位期间所发表的论文