高精度氣動(dòng)同步系統(tǒng)研究.pdf

1、因?yàn)榫哂泄β?質(zhì)量比大、清潔、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、易維護(hù)等優(yōu)點(diǎn)，氣動(dòng)同步技術(shù)在機(jī)器人、工業(yè)自動(dòng)化和醫(yī)療機(jī)械等領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用前景。但是氣動(dòng)系統(tǒng)具有很多不利于精確控制的弱點(diǎn)，如強(qiáng)非線性、參數(shù)時(shí)變性和模型不確定性等，如何提高氣動(dòng)位置伺服系統(tǒng)的軌跡跟蹤控制性能和如何實(shí)現(xiàn)多執(zhí)行元件同步控制仍是當(dāng)前氣動(dòng)技術(shù)研究的一個(gè)重要方向。本論文以一個(gè)雙氣缸的氣動(dòng)同步系統(tǒng)為研究對(duì)象，以實(shí)現(xiàn)單缸的高精度運(yùn)動(dòng)軌跡跟蹤控制和雙缸的精確位置同步控制為研究目標(biāo)，利用理論分析和實(shí)

2、驗(yàn)相結(jié)合的方法，從建立精確描述系統(tǒng)特性的非線性模型入手，深入的研究了氣動(dòng)伺服位置控制策略和氣動(dòng)同步控制方法。
　　為實(shí)現(xiàn)氣缸的高精度運(yùn)動(dòng)軌跡跟蹤控制，本論文首先基于LuGre模型對(duì)氣缸摩擦力進(jìn)行了補(bǔ)償，并提出了一種含死區(qū)補(bǔ)償?shù)淖赃m應(yīng)魯棒控制策略。該控制器采用雙觀測(cè)器來(lái)估計(jì)摩擦力內(nèi)狀態(tài)，通過(guò)在線最小二乘參數(shù)估計(jì)來(lái)減小模型中參數(shù)不確定性，并利用非線性魯棒控制來(lái)抑制參數(shù)估計(jì)誤差、未建模動(dòng)態(tài)和干擾的影響，從而保證一定的魯棒瞬態(tài)性能和高的穩(wěn)

3、態(tài)跟蹤精度。由于使用了標(biāo)準(zhǔn)投影映射技術(shù)，參數(shù)自適應(yīng)律與非線性魯棒控制器兩個(gè)部分可以獨(dú)立進(jìn)行設(shè)計(jì)。鑒于系統(tǒng)模型中的不確定性是非匹配的，采用了反步法來(lái)設(shè)計(jì)非線性魯棒控制器。此外，由于控制器能在線辨識(shí)閥的死區(qū)參數(shù)并對(duì)死區(qū)進(jìn)行補(bǔ)償，算法的可移植性好。在此基礎(chǔ)上，將交叉耦合思想與直接/間接集成自適應(yīng)魯棒控制結(jié)合起來(lái)，提出一種基于交叉耦合方法的自適應(yīng)魯棒氣動(dòng)同步控制策略，實(shí)現(xiàn)了雙缸的精確位置同步控制。
　　本論文共分六章，現(xiàn)將各章內(nèi)容分述如下

4、:
　　第一章，詳細(xì)介紹了氣動(dòng)伺服位置控制的研究現(xiàn)狀，指出提高氣缸的軌跡跟蹤控制性能仍是當(dāng)前氣動(dòng)技術(shù)研究的一個(gè)重要方向;簡(jiǎn)述了氣動(dòng)同步控制的研究背景和研究現(xiàn)狀;最后概述了本課題的研究意義、研究難點(diǎn)以及主要研究?jī)?nèi)容。
　　第二章，描述了氣動(dòng)同步系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)裝置的硬件組成;研究了氣體通過(guò)控制閥閥口的流動(dòng)、氣缸兩腔內(nèi)氣體的熱力過(guò)程和氣缸的摩擦力特性等問(wèn)題，建立了氣動(dòng)同步系統(tǒng)的非線性模型，為控制器設(shè)計(jì)做好準(zhǔn)備;通過(guò)參數(shù)辨識(shí)，獲得了控制閥

5、閥口開(kāi)度與控制電壓的關(guān)系以及缸內(nèi)空氣與氣缸內(nèi)壁間的熱傳導(dǎo)率;為滿足高精度氣動(dòng)伺服位置控制時(shí)基于模型的摩擦力補(bǔ)償需要，建立了氣缸的LuGre動(dòng)態(tài)摩擦模型并對(duì)其中參數(shù)進(jìn)行了辨識(shí)。
　　第三章，給出氣動(dòng)同步系統(tǒng)某一軸的非線性狀態(tài)空間模型，并分析系統(tǒng)的控制難點(diǎn)，歸納出為實(shí)現(xiàn)氣缸的高精度運(yùn)動(dòng)軌跡跟蹤控制，所采用的控制方法必須考慮模型中參數(shù)不確定性和不確定非線性的影響。首先為氣動(dòng)位置伺服系統(tǒng)設(shè)計(jì)一個(gè)魯棒自適應(yīng)控制器和一個(gè)確定性魯棒控制器，通過(guò)

6、分析二者的優(yōu)點(diǎn)和研究如何將它們有機(jī)結(jié)合，提出了一種氣動(dòng)位置伺服系統(tǒng)的自適應(yīng)魯棒運(yùn)動(dòng)軌跡跟蹤控制策略。它采用在線參數(shù)的自適應(yīng)調(diào)節(jié)減小模型參數(shù)不確定性，同時(shí)通過(guò)魯棒控制律抑制不確定非線性的影響，從而達(dá)到較好的動(dòng)態(tài)性能和較高的穩(wěn)態(tài)跟蹤精度。實(shí)驗(yàn)證明，自適應(yīng)魯棒控制器是有效的，控制性能高于文獻(xiàn)中已有的研究成果，且對(duì)系統(tǒng)參數(shù)變化和干擾具有較強(qiáng)的性能魯棒性。
　　第四章，在上一章研究的自適應(yīng)魯棒控制器基礎(chǔ)上，通過(guò)引入一個(gè)動(dòng)態(tài)補(bǔ)償型快速自適應(yīng)項(xiàng)

7、，設(shè)計(jì)了直接/間接集成自適應(yīng)魯棒控制器，提高了系統(tǒng)瞬態(tài)跟蹤性能;針對(duì)比例方向控制閥存在顯著的死區(qū)且不同閥的死區(qū)特性差異較大的情況，提出一種含死區(qū)補(bǔ)償?shù)闹苯?間接集成自適應(yīng)魯棒控制器，在線辨識(shí)閥的死區(qū)參數(shù)并通過(guò)構(gòu)造死區(qū)逆對(duì)死區(qū)進(jìn)行補(bǔ)償，提高了算法的可移植性;為進(jìn)一步提高氣缸低速運(yùn)行時(shí)的軌跡跟蹤控制精度，研究了基于LuGre模型的氣缸摩擦力補(bǔ)償方法以及如何將該補(bǔ)償方法與直接/間接集成自適應(yīng)魯棒控制方法結(jié)合起來(lái)。最后，通過(guò)實(shí)驗(yàn)證明了上述氣動(dòng)位

8、置伺服系統(tǒng)的高精度運(yùn)動(dòng)軌跡跟蹤控制策略的有效性。跟蹤幅值為0.125 m、頻率為0.5 Hz正弦軌跡時(shí)，最大穩(wěn)態(tài)跟蹤誤差為1.32 mm，平均穩(wěn)態(tài)跟蹤誤差為0.68 mm，瞬態(tài)過(guò)程最大跟蹤誤差為1.61 mm;跟蹤低速正弦軌跡時(shí)，最大穩(wěn)態(tài)跟蹤誤差為0.59 mm，平均穩(wěn)態(tài)跟蹤誤差為0.21 mm。
　　第五章，提出一種基于交叉耦合方法的自適應(yīng)魯棒氣動(dòng)同步控制策略，既保證多氣缸精確同步又不影響系統(tǒng)中每一氣缸的軌跡跟蹤控制精度，基本思

9、想是:將同步誤差反饋至每個(gè)軸控制器的輸入端與軌跡跟蹤誤差組成一個(gè)新的稱為耦合誤差的變量，為每個(gè)軸分別設(shè)計(jì)直接/間接集成自適應(yīng)魯棒控制器使耦合誤差收斂，實(shí)現(xiàn)軌跡跟蹤誤差和同步誤差同時(shí)收斂。給出了控制器的詳細(xì)設(shè)計(jì)步驟，并以雙氣缸同步為例，通過(guò)實(shí)驗(yàn)證明控制器的有效性和性能魯棒性，跟蹤幅值為0.125 m、頻率為0.5 Hz的正弦期望軌跡時(shí)，最大同步誤差為1.25 mm左右，平均同步誤差為0.67 mm左右。
　　第六章，對(duì)本論文的主要工