闭环气动位置控制方法的研究

论文摘要

气动技术以其结构简单、操作方便、环境清洁、使用可靠、性价比高等优点,在工业自动化领域得到愈来愈广泛的应用。但由于空气的压缩性大、粘度小、系统非线性等因素的影响,气动系统难以实现精密的伺服控制。如何实现气动装置快速、准确的位置伺服控制成为目前气动领域研究的新课题之一。本文在对由比例方向阀和无杆气缸组成的气动位置系统的特性进行研究的基础上,通过对控制策略的理论研究和仿真分析,最终实现了系统的实时控制,并达到了一定的控制精度。首先,建立了阀控缸系统的非线性数学模型,对系统特性进行了研究,讨论了系统参数对系统特性的影响;在此基础上,对气动比例位置系统进行了相应的控制策略的研究。提出了本文采用的控制策略:模糊自适应PID控制策略。模糊PID控制应用模糊推理的方法,实现PID参数的在线自整定,能够达到参数k-p,ki,kd取值的动态变化,使系统动态过程各阶段的PID参数处于最佳状态,以获得满意的控制效果。其次,应用MATLAB,详细地分析了系统的时域特性、频域特性。应用模糊自适应PID控制方法对系统进行了计算机仿真。仿真结果表明,同传统PID控制相比,模糊自适应PID控制方法,较好地结合了模糊控制灵活和适应性强的优点与PID控制精度高的特点,具有较强的鲁棒性。最后,运用LabVIEW对系统进行实时控制。控制结果证明了所建数学模型和所采用的控制策略的正确性。

论文目录

• 目录
• 摘要
• ABSTRACT
• 1.绪论
• 1.1 气动技术的特点、发展概况
• 1.1.1 气动技术的特点
• 1.1.2 气动技术的发展概况
• 1.2 气动位置控制系统
• 1.3 课题意义、内容及研究状况的论述
• 2.气动位置控制的数学模型
• 2.1 数学建模的基础
• 2.2 阀芯位移与气缸活塞位移的数学模型
• 2.2.1 电气比例阀的质量流量节流方程
• 2.2.2 可压缩流体质量流量连续性方程
• 2.2.3 气缸力平衡方程
• 2.2.4 阀位移对气缸活塞位移的传递函数
• 2.3 比例阀的数学模型
• 2.4 气缸上的位置传感器的数学模型
• 2.5 系统总的数学模型
• 2.6 小结
• 3.相关参数的处理
• 3.1 气动位置控制系统原理图
• 3.2 系统所用元器件参数
• 3.2.1 静音空压机
• 3.2.2 过滤、调压组件（二联件）
• 3.2.3 比例方向控制阀
• 3.2.4 无杆气缸
• 3.2.5 模拟式位置传感器
• 3.2.6 数据采集卡
• 3.2.6.1 模入部分（A/D）
• 3.2.6.2 模出部分（D/A）
• 3.3 已知负载情况及运动参数
• 3.4 小结
• 4.系统性能分析
• 4.1 稳定性分析
• 4.1.1 代数稳定判据
• 4.1.2 Bode图稳定判据
• 4.2 稳态误差分析
• 4.3 系统各参数对系统稳定性影响
• 4.3.1 速度增益
• 4.3.2 气动固有频率
• 4.3.3 气动阻尼比
• 4.4 小结
• 5.计算机仿真及控制策略的研究
• 5.1 计算机仿真的意义及特点
• 5.2 流体传动控制策略概述
• 5.2.1 PID控制
• 5.2.2 自适应控制
• 5.2.3 模糊控制
• 5.3 系统仿真
• 5.3.1 PID控制原理
• 5.3.2 PID控制器的设计
• 5.4 控制系统仿真
• 5.4.1 普通PID控制系统仿真
• 5.4.2 模糊自适应PID控制仿真
• 5.5 小结
• 6.气动位置控制系统的实验研究
• 6.1 实验系统的设计
• 6.2 数据采集卡的应用
• 6.3 LABVIEW控制系统的设计
• 6.3.1 LabVIEW与MATLAB混和编程的系统仿真
• 6.3.2 模糊PID自适应控制算法在LabVIEW中的实现
• 6.3.3 LabVIEW页面设计
• 6.3.4 实验结果分析
• 6.4 小结
• 7.总结
• 致谢
• 参考文献
• 附录