滑模控制在气动位置伺服系统中的应用

论文摘要

气动技术具有一系列显著优点:价格低廉,结构简单,工作可靠,无污染,气动技术在工业生产中得到了越来越广泛的应用,己成为自动化不可缺少的重要手段。由于气体的可压缩性,气缸的摩擦力,比例阀的非线性以及系统参数易受环境的影响等这些特点在很大程度上增加了气动位置控制系统的控制难度,很难满足工业上高精度的定位要求。《滑模控制在气动位置伺服系统中的应用》是SMC技术中心承接的国际交流合作课题项目之一。为进一步开发出高精度的气动定位系统作准备。同时展示气动控制元件的产品性能,更可作为一个实验装置,为本科同学开设控制理论实践课程搭建一个良好的试验平台。选用SMC公司的MQQTB16-50D直线气缸作为系统的执行元件,但其摩擦力的严重非线性和气缸两腔的非对称性等特点,加大了对该系统进行伺服控制的难度。本文对阀控缸的气动位置特性进行了研究,建立了阀控缸系统的非线性数学模型,以及气缸的非线性摩擦力的数学模型;在此基础上,并在Matlab/Simulink环境下对气动比例位置系统进行了滑模控制与模糊滑模控制的,有摩擦力条件下的数学仿真。仿真结果表明,模糊滑模控制方法能获得更好的动态特性,与控制效果。实验前,首先解决了直缸位置伺服系统死区测定及校正,增益K值论域的不对称性修改,状态反馈的物理实现等关键技术,然后进行Matlab/Simulink下的RTW半实物仿真实验。模糊滑模控制器使得系统轨迹既能快速趋近滑模面又能减弱抖动,并且对于外界条件的变化,如负载的变化,气源压力的变化,在气缸不同位置的定位,都表现出较强的鲁棒性。最后,对本论文的研究工作进行了总结,提出了进一步研究工作的设想和展望。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 课题研究背景
• 1.2 气动技术概述
• 1.3 气动伺服系统简述
• 1.3.1 开关阀式
• 1.3.2 比例/伺服阀式
• 1.3.3 其他形式
• 1.4 气动伺服系统的控制方法
• 1.4.1 基于现代控制理论的几种控制算法
• 1.4.2 基于智能控制理论的几种算法
• 1.5 论文的主要内容
• 第二章 气动系统的数学模型的推导
• 2.1 引言
• 2.2 阀控气缸系统建模
• 2.2.1 单自由度气缸伺服系统的数学模型
• 2.2.2 气缸摩擦力的数学模型
• 2.2.2.1 典型的气缸摩擦力模型
• 2.2.2.2 实验测得本气缸摩擦力模型
• 2.2.3 比例阀的流量连续性方程
• 2.2.4 比例阀的阀口流量方程
• 2.2.5 系统的开环传递函数
• 2.2.6 流量比例阀的数学模型
• 2.2.7 气动系统的总模型
• 2.3 本系统的数学模型
• 2.4 本章小结
• 第三章 气动位置伺服系统滑模变结构控制研究及仿真
• 3.1 引言
• 3.2 变结构控制系统基本理论
• 3.2.1 变结构控制系统的概念
• 3.2.2 变结构系统的不变性
• 3.2.3 变结构控制系统的抖动问题
• 3.3 本系统变结构滑模控制器的设计
• 3.3.1 滑模控制器的算法
• 3.3.2 摩擦补偿
• 3.3.3 控制算法的改进
• 3.4 气动位置伺服系统模糊滑模控制器的设计
• 3.4.1 模糊控制的基本原理
• 3.4.2 模糊滑模变结构控制器的结构
• 3.4.3 模糊滑模变结构控制器的控制规则
• 3.4.4 变量的模糊化和去模糊化
• 3.5 仿真研究
• 3.5.1 PID 与滑模变结构控制
• 3.5.2 一般滑模控制与模糊滑模控制
• 3.6 小结
• 第四章 气动位置伺服实验平台介绍
• 4.1 硬件平台结构及功能
• 4.1.1 气缸
• 4.1.2 电磁比例阀
• 4.1.3 电磁比例阀驱动器
• 4.1.4 数据采集卡
• 4.1.5 位移传感器
• 4.1.6 压力传感器
• 4.2 实验的软件环境
• 4.2.1 Matlab RTW 系统介绍
• 4.2.2 xPC Target 方案
• 4.2.3 系统实时性分析
• 4.2.4 在Simulink 环境中创建仿真模型
• 4.3 本章小结
• 第五章 气动位置伺服系统实验研究
• 5.1 实验中的关键技术
• 5.1.1 直缸位置伺服系统死区测定及校正
• 5.1.2 增益K 值论域的不对称性
• 5.1.3 状态反馈
• 5.2 滑模变结构控制实验研究
• 5.3 模糊变结构控制实验研究
• 5.3.1 负载变化对控制效果的影响
• 5.3.2 气源变化对控制效果的影响
• 5.3.3 气缸不同位置的控制效果的影响
• 5.4 本章小结
• 第六章 总结
• 6.1 总结
• 6.2 展望
• 参考文献
• 致谢
• 攻读学位期间发表的学术论文目录