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水压伺服阀摩擦非线性的理论分析与试验研究

作　者: 陈春
导　师: 聂松林
学　校: 华中科技大学
专　业: 机械电子工程
关键词: 水压伺服阀摩擦非线性摩擦补偿自适应控制性能仿真
分类号: TH137.52
类　型: 硕士论文
年　份: 2006年
下　载: 112次
引　用: 3次
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内容摘要

以海(淡)水作为介质的水压传动技术是当前国际上本学科前沿的、有广阔应用前景的一门新兴技术,由于它具有无污染、不燃烧、节约能源、工作介质易于获取等突出优点,正日益受到国内外工程界的广泛重视。然而,水和油在理化性能方面的重大差异向水压元件的研制提出了重大挑战。水压伺服阀作为水压传动的高精度控制元件对水压传动的研究和发展具有十分重要的意义。水压伺服阀中的摩擦非线性环节严重影响了整个水压伺服系统的控制精度,油压元件中的一些技术参数并不能在水压元件的控制中直接应用。要设计出高控制精度的水压伺服系统,必须对水压伺服阀的摩擦非线性环节进行深入的研究。本文首先比较了国内外在摩擦补偿控制方面的研究概况和发展模式,详细地分析了伺服系统中摩擦的非线性环节及不同摩擦模型的特点,建立了LuGre摩擦模型。LuGre模型不仅考虑了粘性摩擦、库仑摩擦,而且考虑了静摩擦和Stribeck负斜率效应,包含了几乎所有摩擦的动态和静态特性。并且该模型适用于基于模型的摩擦补偿方法,易为运动控制器所接受。通过对现有试验台架进行技术改造,自行设计了水压伺服阀摩擦力测控系统试验台,研制了试验装置的硬件接口电路,编制了功能较为完善的数据采集软件。加工出了一系列不同形状和规格的阀芯阀套的组合试件,在不同的配合间隙、轴向配合长度以及进出口压力条件下,对上述几组典型试件的摩擦特性进行了试验研究。分析得出随着工作压力的升高,摩擦力逐渐变大,阀芯的偏心位置也随之发生改变;阀芯与阀套配合间隙对摩擦力的影响最为严重,呈现高次方的非线性趋势;轴向配合长度对摩擦力的影响近似正比例关系;带均压槽结构的阀芯在相同工作压力下的偏心量明显小于不带均压槽结构的阀芯。最后,在试验的基础上对整个摩擦模型进行了参数辨识,提出了PID补偿控制和基于观测器的自适应补偿控制的解决方法,分析比较了它们的优缺点,提出了最佳的补偿控制方案为基于观测器的自适应补偿控制,并经过MATLAB仿真验证了该方案的有效性。

全文目录

摘要  4-5
ABSTRACT  5-9
1 绪论  9-20
  1.1 课题的来源及目的  9
  1.2 课题研究的意义  9-12
  1.3 国内外的研究概况  12-17
  1.4 非线性研究中有待解决的问题  17-19
  1.5 本文的主要研究工作  19-20
2 水压伺服阀中摩擦非线性的理论分析  20-41
  2.1 水压伺服阀的非线性环节  20-24
    2.1.1 水压伺服阀工作原理  20-21
    2.1.2 水压伺服阀的非线性分析  21-24
  2.2 摩擦特性  24-27
    2.2.1 摩擦的分类  24-25
    2.2.2 摩擦特性  25-26
    2.2.3 摩擦非线性的分析方法  26-27
  2.3 摩擦非线性的理论分析  27-36
    2.3.1 常用的摩擦模型  27-29
    2.3.2 数学模型  29-32
    2.3.3 稳定性分析  32-33
    2.3.4 非线性摩擦模型参数辨识  33-36
  2.4 基于摩擦非线性环节的水压伺服阀模型  36-40
  2.5 本章小结  40-41
3 摩擦非线性测试试验台的研制  41-58
  3.1 系统组成  41-42
  3.2 台架设计  42-47
    3.2.1 台架测试系统  42-43
    3.2.2 台架结构组成  43-46
    3.2.3 材料选择  46-47
  3.3 硬件设计  47-51
    3.3.1 系统的硬件组成  47-48
    3.3.2 抗干扰设计  48-51
  3.4 软件设计  51-57
    3.4.1 概述  51-52
    3.4.2 软件系统的结构  52-53
    3.4.3 软件系统的功能模块  53-57
  3.5 本章小结  57-58
4 水压伺服阀摩擦非线性的试验研究  58-81
  4.1 摩擦副压力—流量特性试验研究  58-68
    4.1.1 阀口压力—流量公式  58-60
    4.1.2 试件参数规格  60-62
    4.1.3 阀口压力—流量特性测试  62-68
  4.2 摩擦特性试验研究  68-80
    4.2.1 摩擦力的测试  68-69
    4.2.2 系统压力对最大静摩擦力的影响  69-70
    4.2.3 均压槽结构对最大静摩擦力的影响  70-73
    4.2.4 轴向长度对最大静摩擦力的影响  73-74
    4.2.5 配合间隙对最大静摩擦力的影响  74-76
    4.2.6 速度对摩擦力的影响  76-80
  4.3 本章小结  80-81
5 水压伺服阀的摩擦补偿控制及仿真  81-97
  5.1 摩擦非线性补偿控制概述  81-83
  5.2 系统建模  83-85
    5.2.1 摩擦补偿控制系统工作原理  83-85
  5.3 摩擦非线性的PID 补偿控制  85-91
    5.3.1 控制器设计  85-86
    5.3.2 控制系统的描述  86-89
    5.3.3 仿真分析  89-91
  5.4 基于观测器的自适应补偿控制  91-96
    5.4.1 控制系统描述  91
    5.4.2 观测器的设计  91-94
    5.4.3 仿真分析  94-96
  5.5 本章小结  96-97
6 总结与展望  97-100
  6.1 全文总结  97-98
  6.2 展望  98-100
致谢  100-101
参考文献  101-108
附录1 攻读学位期间发表学术论文目录  108-109
附录2 攻读学位期间论文获奖情况  109

水压伺服阀摩擦非线性的理论分析与试验研究

内容摘要

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