氣動比例位置系統(tǒng)的控制方法及動態(tài)特性研究.pdf

1、氣動系統(tǒng)以其結構簡單、無污染、性價比高、維修方便及抗干擾能力強等優(yōu)點，被廣泛應用于化工、醫(yī)藥、紡織、微電子、生物工程等工業(yè)自動化領域中。氣動比例技術的出現(xiàn)，使氣動系統(tǒng)從邏輯控制領域擴展到比例/伺服控制領域。但是由于氣動系統(tǒng)固有的非線性、剛度小、阻尼比小以及固有頻率低等缺點，使得氣動比例位置系統(tǒng)定位技術進展緩慢，其控制精度和工作性能難以達到理想的效果，從而限制了氣動系統(tǒng)在工業(yè)領域中的推廣及應用。本文主要以提高氣動比例系統(tǒng)的控制精度為目標，

2、通過分析其摩擦力及動態(tài)特性，對系統(tǒng)的摩擦非線性補償及智能控制策略進行研究。 本文綜述了氣動比例系統(tǒng)的特點及發(fā)展狀況，分析了氣動系統(tǒng)的緩沖定位技術，闡述了智能控制技術在該領域中的研究與應用。在深入分析氣動比例系統(tǒng)的工作性能及特點的基礎上，研究系統(tǒng)的摩擦機理，并且通過疊加高頻低幅顫振信號補償系統(tǒng)的摩擦力，結合氣動比例系統(tǒng)的非線性特征，設計出模糊神經(jīng)元網(wǎng)絡控制器，使系統(tǒng)獲得了良好的控制精度。 首先，對氣動比例系統(tǒng)進行了兩種方法

3、的數(shù)學建模研究。一種方法是機理建模，即通過分析氣缸與比例方向閥的力平衡特性以及壓力-流量特性，建立了系統(tǒng)的非線性數(shù)學模型，并對模型進行了系統(tǒng)辨識，得到了較為精確的數(shù)學模型，以便于為下一步的研究提供依據(jù)。另一種方法是基于圖形化的物理建模，通過仿真軟件AMESim，建立氣動比例位置系統(tǒng)的數(shù)學模型，這種方法可以最大程度的考慮系統(tǒng)的細節(jié)問題，從而能夠得到更加準確的數(shù)學模型。由于圖形化建模是利用AMESim與Matlab/simulink的聯(lián)合仿

4、真平臺，把兩個優(yōu)秀的專業(yè)仿真工具聯(lián)合起來使用，既發(fā)揮AMESim突出的流體機械的仿真效能，又能借助MATLAB/Simulink強大的數(shù)值處理能力，取長補短，取得更加完美的互補效果，所以本文的所有研究都是在基于圖形化物理建模的基礎上進行的。 其次，研究了補償氣動比例閥控缸系統(tǒng)摩擦力的理論。由系統(tǒng)的摩擦力帶來的穩(wěn)態(tài)誤差和低速爬行問題，通常是通過提高運動部件的加工精度和改進系統(tǒng)的潤滑條件來解決。在氣動比例系統(tǒng)中，可以通過改進氣缸的機

5、械結構，或者采用高精度新型氣缸等措施來減少非線性摩擦對系統(tǒng)運動性能的影響，但是由于這種方法會使成本顯著增加，也不可能最終消除非線性摩擦，所以會影響系統(tǒng)的定位精度和軌跡跟蹤精度。仿真及實驗研究表明，通過疊加顫振信號補償系統(tǒng)的摩擦力，可克服氣動比例閥的中位死區(qū)，提高系統(tǒng)的靈敏度和動態(tài)響應特性。 再次，針對系統(tǒng)的非線性特性，研究了氣動比例系統(tǒng)的智能控制方法。文中分別對智能控制領域內(nèi)的模糊控制、神經(jīng)網(wǎng)絡控制的方法進行了分析和仿真研究。模

6、糊控制能仿效人的模糊邏輯思維方法，允許系統(tǒng)在工作過程中某些數(shù)值型量的不精確性存在。但是模糊規(guī)則的確定對操作人員的經(jīng)驗以及語言表達方式有一定的依賴性，不同人員對于問題認識的深度和綜合能力直接影響到模糊控制系統(tǒng)的工作性能。神經(jīng)元網(wǎng)絡通過其結構的可變性，逐步適應外部環(huán)境的各種因素的作用，能夠從不十分精確的輸入/輸出值描述中挖掘出研究對象之間的因果聯(lián)系，從而達到解決問題的目的。 為了減小控制系統(tǒng)對經(jīng)驗知識的依賴性，增強控制系統(tǒng)的學習能力

7、以提高控制系統(tǒng)對運行過程中工況條件變化時的適應能力，針對比例閥控缸對象一類的非線性、時變不確定系統(tǒng)，考慮采用神經(jīng)元網(wǎng)絡技術或模糊神經(jīng)元網(wǎng)絡技術來解決。因此，提出了一種模糊神經(jīng)元網(wǎng)絡(FNN)的控制方法，即在基本模糊控制器的基礎上，引入神經(jīng)元網(wǎng)絡技術，利用神經(jīng)元網(wǎng)絡的學習功能結合模糊邏輯推理，以進一步改善比例閥控缸系統(tǒng)性能、提高系統(tǒng)的適應能力。仿真結果表明，針對該系統(tǒng)設計的模糊神經(jīng)元網(wǎng)絡控制器，能夠很好的克服外界負載擾動對比例閥控缸系統(tǒng)的

8、影響，使系統(tǒng)的魯棒性提高。 最后，將模糊神經(jīng)元網(wǎng)絡的自學習功能和疊加顫振信號的補償方法相結合，對比例閥的死區(qū)進行了補償實驗研究；在對高次曲線進行理論分析的基礎上，提出了采用高次曲線作為理想曲線實現(xiàn)氣動比例閥控缸位置控制系統(tǒng)軌跡跟蹤的方法；通過研制兩自由度氣動比例系統(tǒng)的控制程序及控制界面，實現(xiàn)了氣動比例系統(tǒng)在平面內(nèi)的高精度軌跡跟蹤研究；單自由度系統(tǒng)定位精度控制在±0.100mm以內(nèi)，平面兩自由度連續(xù)軌跡跟蹤精度控制在±0.263m