气液联控柔顺力控制系统研究

论文摘要

气液联控伺服系统是将可压缩性小、粘度较大的液体介质引入到常规气压伺服系统中并进行控制而构成的一种新型的气、液介质复合控制系统。它将气体介质“柔”的特性与液体介质“刚”的特性融为一体,即保持了气动系统所具有的快速性的优点,又具有较好的刚度。此特点对于机器人的柔顺力控制非常有利,故此本课题针对气液联控伺服系统进行了柔顺力控制的研究。在查阅大量国内外相关文献的基础上,总结了气液联控伺服系统的发展背景及研究现状。对柔顺力控制的发展现状进行了分析,阐述了常用的柔顺力控制策略及其控制中的关键问题。通过对国内外相关研究的分析,确定了本文的主要研究方向。与其它气压伺服系统相比,PWM电-气开关/伺服系统具有更适用于连续控制及造价较低等优点,因此得到了广泛的应用。但PWM气压伺服系统具有严重非线性,建模困难,这就阻碍了它的发展。为此本文应用非线性PWM平均方法将原离散多输入模型转换为连续单输入模型,简化后的模型更有利于对系统的研究。阻抗控制能够实现位移与力的统一控制,是实现柔顺力控制的主要理论依据之一。论文将基于力和基于位置的阻抗控制方法分别应用于气液联控系统中,通过仿真分析两种阻抗控制性能及阻抗参数变化对系统控制性能的影响规律。由于基于位置的阻抗控制性能更好,更易于应用于柔顺力控制中,故此本文重点针对基于位置的阻抗控制进行研究。内环位置控制器的性能在一定程度上影响柔顺力控制的性能,为进一步提高系统性能,本文应用非线性控制理论对气液联控系统的状态方程进行了研究,提出了滑模变结构控制策略。根据相对阶的定义判断系统阶次,在此基础上设计了三阶滑模面变结构控制器,并对其进行了仿真研究。但该三阶滑模控制器所含参数复杂且相互之间耦合,控制效果并不理想。故此进行了滑模面的降阶,设计了二阶滑模面变结构控制器,并对其进行了仿真研究,仿真结果表明滑模变结构控制改善了系统的快速性,提高了系统的跟踪性能。柔顺力控制过程中,环境参数的已知与否对系统控制策略的选取有很大影响,并直接影响到控制的效果。本文将环境参数归纳为三种情况:环境参数已知时不变、环境参数未知时不变、环境参数未知时变。分别针对此三种情况提出了模糊阻抗控制方法、直接自适应控制方法、间接自适应控制等方法。实现了不同环境参数下的柔顺力控制。最后,搭建了气液联控柔顺力控制系统实验台,编制了计算机控制软件和完整的实验方案。通过对系统的仿真和实验研究证明,本文设计的实验系统和控制软件是成功的,阐述的理论和观点是正确的,设计的控制器是合理可行的。论文的研究为气液联控系统进一步应用到气动工业机器人的柔顺力控制中奠定了基础。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 课题来源及其研究意义
• 1.1.1 课题来源
• 1.1.2 课题的研究意义
• 1.2 气液联控伺服系统的研究现状与分析
• 1.2.1 气压伺服系统的特点及其发展现状
• 1.2.2 气液联控技术的发展背景与研究现状
• 1.3 柔顺力控制综述
• 1.3.1 柔顺力控制的发展现状及分析
• 1.3.2 阻抗控制的发展现状及分析
• 1.3.3 主动柔顺力控制中的关键问题
• 1.4 滑模变结构控制综述
• 1.4.1 滑模变结构控制理论的发展及研究现状
• 1.4.2 滑模变结构控制理论在气动系统中的应用现状
• 1.5 论文主要研究内容
• 第2章 气液联控PWM控制系统及其建模
• 2.1 引言
• 2.2 气液联控伺服系统概述
• 2.3 脉宽调制（PWM）的概念及工作原理
• 2.4 高速开关阀概述
• 2.4.1 高速开关阀的开关特性
• 2.4.2 高速开关阀的驱动方式
• 2.5 气液联控伺服系统的数学建模
• 2.5.1 动力学基本方程
• 2.5.2 非线性状态方程
• 2.5.3 基于PWM 的气液联控位置伺服系统的建模
• 2.6 本章小结
• 第3章 气液联控系统的阻抗控制研究
• 3.1 引言
• 3.2 气液联控柔顺力控制系统描述
• 3.3 气液联控系统的阻抗控制研究
• 3.3.1 阻抗控制概述
• 3.3.2 基于力的阻抗控制
• 3.3.3 基于位置的阻抗控制
• 3.3.4 仿真研究
• 3.4 本章小结
• 第4章 气液联控柔顺力控制系统的位置内环控制策略研究
• 4.1 引言
• 4.2 PID 控制
• 4.3 滑模变结构控制的基本原理
• 4.3.1 滑模变结构控制的定义
• 4.3.2 变结构控制的三要素
• 4.3.3 变结构控制器的设计
• 4.3.4 滑模变结构控制系统的动态品质
• 4.3.5 变结构控制系统的不变性和抖振问题
• 4.4 非线性系统状态变量的选取
• 4.4.1 相对阶的判断
• 4.4.2 非线性系统状态变换
• 4.5 气液联控位置伺服系统的三阶滑模变结构控制器设计
• 4.5.1 问题描述
• 4.5.2 控制器设计
• 4.5.3 仿真研究
• 4.6 气液联控位置伺服系统的二阶滑模变结构控制器设计
• 4.6.1 问题描述
• 4.6.2 控制器设计
• 4.6.3 仿真研究
• 4.7 本章小结
• 第5章 基于位置的气液联控系统柔顺力控制研究
• 5.1 引言
• 5.2 基于位置的气液联控系统的柔顺力控制研究
• 5.2.1 基于阻抗控制方法的柔顺力控制
• 5.2.2 环境参数已知情况下的柔顺力控制研究
• 5.2.3 环境参数未知时不变情况下的柔顺力控制研究
• 5.2.4 环境参数未知时变情况下的柔顺力控制研究
• 5.3 本章小结
• 第6章 实验研究
• 6.1 引言
• 6.2 实验目的和实验内容
• 6.3 实验系统设计及组成
• 6.3.1 气液联控柔顺力控制系统结构
• 6.3.2 动力机构
• 6.3.3 反馈元件
• 6.3.4 计算机控制系统设计
• 6.4 气液联控阻抗控制实验研究
• 6.5 基于位置的气液联控柔顺力控制内环位置控制实验研究
• 6.5.1 传统PID 控制实验研究
• 6.5.2 二阶滑模变结构控制实验研究
• 6.6 气液联控柔顺力控制实验研究
• 6.6.1 离线柔顺力控制实验研究
• 6.6.2 直接自适应柔顺力控制实验研究
• 6.6.3 间接自适应柔顺力控制实验研究
• 6.7 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 攻读博士学位期间发表的学术论文
• 致谢
• 个人简历