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基于运动和压力独立控制的气动同步系统研究

作　者: 曹剑
导　师: 陶国良
学　校: 浙江大学
专　业: 机械电子工程
关键词: 气动同步系统负载口独立控制自适应鲁棒控制参数辨识卡尔曼滤波器速度逼近位移修正静态工作点速度敏感系数极限静摩擦力停滞时间压力上升速率
分类号: TH138.9
类　型: 博士论文
年　份: 2009年
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内容摘要

随着微电子技术的飞速发展,气动伺服系统特别是气动伺服位置控制系统得到越来越广泛的应用。采用气动伺服位置控制可以方便地实现多点无级定位(柔性定位)和无级调速。此外,利用气动伺服位置控制系统中气缸运动速度的连续可调来替代传统的节流阀加端部缓冲的方式,可以获得最佳的速度与缓冲效果,大幅度地降低气缸的动作时间,缩短工序节拍,提高生产率。由于气体的可压缩性,气动产品可实现软接触,动作柔和,气动技术的这个特性,是其他机电产品望尘莫及的。基于运动和压力独立控制的气动同步系统实际上是将控制运动轨迹和压力轨迹的负载口独立控制技术应用于气动同步系统。与传统进出节流阀口机械联动的气动系统相比较,其先进性主要体现在:(1)单只气缸的两个控制自由度和进排气节流阀口的面积比可变提高了系统柔性;可根据负载类型实时修改控制策略,所有工作点均可达到最佳控制性能。(2)采用精确的计算流量反馈来快速精确控制压力,从而避免了由于气体压缩性和环境因素引起不能预测的压力响应滞后导致换向阀误切换的问题。(3)在加速过程中,通过加大进、排气阀的开度以保证其快速性,在减速和制动过程中,通过控制排气侧压力来避免压力冲击和振荡,提高负载减速和制动过程的平稳性。(4)摩擦力的建模非常复杂,特别在速度反向时要对无杆气缸的摩擦力进行精确建模几乎不可能,而负载口独立控制可以采用速度逼近位移修正的方式来避免运动过程中速度反向,从而使摩擦力缓变,保证较高的轨迹跟踪精度。基于运动和压力独立控制的气动同步系统可用于门架驱动结构或气动升降平台,将在自动化生产线、半导体加工装备、航天与航空驱动装置、医疗器械等领域有广阔的应用前景。目前,国内外对气动同步系统的研究报道较少,而且同步精度与抗干扰性能有待于进一步提高。气动系统的强非线性与参数时变性、气缸摩擦力较大与气体刚度较低之间的矛盾等,给气动伺服系统的同步运动带来挑战。具体而言:首先,瞬态质量流量公式的模型不确定与强非线性、气动系统的结构参数不确定和压力微分方程的未知非线性对控制性能有不利影响。其次,气缸摩擦力/驱动力之比过大,且其摩擦力的精确建模难度较大,气动系统的低刚度与反馈控制中摩擦力的反向将制约气动伺服位置轨迹跟踪精度的提高。再者,自适应鲁棒压力控制器、自适应鲁棒运动控制器与同步控制器构成复合控制方式实现精确同步与强鲁棒性的问题;当同步系统刚启动或存在突变干扰时,压力控制将影响到同步精度,必须采取有效措施解决这种低响应带来强耦合的问题。本论文以基于运动和压力独立控制的气动同步系统为研究对象,以实现较大摩擦力的无杆气缸的高精度运动轨迹跟踪和同步运动为研究目标,将理论分析与试验研究相结合,深入地研究了气动伺服系统的同步运动控制方法。本博士论文的创新点如下:第一,提出了基于运动与压力独立控制的气动同步运动节能控制方法,采用自适应鲁棒压力控制器使气缸在运动过程中保持压力等级不变从而确保气缸摩擦力的变化率不大;采用自适应鲁棒运动控制器对气缸摩擦力进行精确的模型补偿并通过速度逼近位移修正的控制方式确保速度不反向来提高运动轨迹的跟踪精度;根据同等方式和主从方式相结合的复合控制方式,将同步误差作为输入经过同步控制器叠加到自适应鲁棒运动控制器中,从而进一步提高同步精度。第二,根据相同控制电压下端口A和端口B的稳定压力不同的物理现象,通过两条压力稳定比值曲线求取偏移量的最小值来获得比例阀的中位电压;根据无杆气缸始端和末端的压力响应曲线不同但稳定压力相同的物理现象,通过压力相同则泄漏的质量流量相同来求取无杆气缸的固定容积;通过对流量系数进行参数线性化与对临界压力比进行修正,获得一种改进型的圣维南质量流量公式;并与自适应鲁棒控制算法和自适应卡尔曼滤波算法结合来提高模型补偿的精确性和参数辨识的有效性。第三,提出了一种新的气缸摩擦力模型,此模型能够反映随停滞时间和压力上升速率而变化的极限静摩擦力、什特里别克效应与衰减的粘性摩擦系数等现象;通过设计试验分离停滞时间与压力上升速率,发现气缸的极限静摩擦力既与停滞时间有关也与压力上升速率有关;采用与运动时间有关的缓变的指数下降函数描述了动摩擦力小幅衰减现象,测试出粘性摩擦系数与压力近似成正比。本博士论文的研究内容分为八章,现逐章分述如下:第一章,简要介绍了气动伺服位置控制系统的的发展概况;按气动元件组成系统的机械结构形式划分为进出口联动控制的阀控缸系统与负载口独立控制的阀控缸系统,并从这个角度总结了国内外在气动伺服位置控制领域的研究现状。将气动同步系统的研究划分为两个发展阶段,分析了前人的研究成果。最后概述了基于运动和压力独立控制的气动同步系统的研究意义、研究难点以及研究内容。第二章,设计了气动同步系统的同步装置及其加载装置;根据数学建模的假设条件,建立了气缸的运动动力学方程与压力微分方程;通过参数辨识求取比例阀的中位电压、中位死区的泄漏模型、无杆气缸的固定容积;通过对流量系数进行参数线性化的在线辨识与对临界压力比进行修正,获得一种改进型的圣维南质量流量公式。第三章,设计了自适应鲁棒压力控制器来提高无杆气缸在运动中的压力轨迹跟踪精度;通过阀口面积的离线拟合和流量系数的在线参数估计来改善自适应的模型补偿效果;通过鲁棒反馈和自适应卡尔曼滤波保证对未知非线性、参数波动和噪声等具有强鲁俸性;探索了变增益非线性鲁棒反馈项的调试方法。第四章,压力控制器使气缸在运动过程中保持压力等级不变从而确保气缸摩擦力的变化率不大且方便对摩擦力精确建模;采用速度逼近位移修正的方式确保摩擦力不反向;设计了自适应鲁棒运动控制器来实现具有较大时变摩擦力的无杆气缸达到高精度的运动轨迹跟踪控制;分析了期望速度修正项的作用及其选取方法;总结出误差调节过程中的工况及其转化过程。第五章,分析了流导的两种表现形式,根据系统流导当量对负载口独立控制系统进行静态建模;在此基础上,总结出独立控制系统流导反向准则和能量损失守恒准则,定义了系统速度敏感系数;分析了负载口独立控制气动伺服系统的耗气量,探索出一种耗气量计算方法;求取了负载口独立控制气动伺服系统线性化后的传递函数,分析了系统的负载敏感度与动态刚度。第六章,详细总结了预位移、极限静摩擦力、什特里别克效应和摩擦滞后的建模方法;提出一种能够反映极限静摩擦力、什特里别克效应与衰减的粘性摩擦系数等现象的气缸摩擦力模型;设计能将停滞时间与压力上升速率进行分离的试验,证实气缸的极限静摩擦力既与停滞时间有关也与压力上升速率有关;采用与运动时间有关的缓变的指数下降函数描述了动摩擦力小幅衰减现象。第七章,将负载口独立控制的气动同步系统分成六种同步控制方式并进行了试验测试;方式一和方式二的运动开环证实了两套驱动系统硬件的差异较大,从而不能实现开环的同步运动,也证实了在恒定背压时单套驱动系统可实现较好的匀速运动;单一主从方式证实了由于主动缸的速度波动导致很难达到较高的同步精度;单一同等方式证实了达到较高运动轨迹跟踪是实现较高精度同步运动的前提;同步误差双反馈的同等方式,突破了仅靠运动轨迹跟踪精度来保证同步精度的局限性;同等方式与主从方式相结合的复合同步控制方式可达到最大同步误差为3.3mm、平均同步误差为0.9mm、稳态同步误差为0.2mm、最大同步误差为最大行程的1.1%。第八章,总结归纳了在基于运动和压力独立控制的气动同步系统研究中所做的主要工作、研究结论和创新之处,同时对气动同步系统的研究进行了展望,为本课题的继续深入提供了参考。

全文目录

致谢  5-7
摘要  7-10
Abstract  10-21
第一章绪论  21-46
  1.1 引言  21-22
  1.2 气动伺服位置控制系统的发展概况  22-40
    1.2.1 研究分类  22-26
    1.2.2 进出口联动控制的阀控缸系统  26-30
    1.2.3 负载口独立控制的阀控缸系统  30-36
    1.2.4 同步运动的气动伺服位置控制系统  36-40
  1.3 课题的研究意义及研究内容  40-45
    1.3.1 课题的来源及意义  40-41
    1.3.2 研究难点  41-43
    1.3.3 研究内容  43-45
  1.4 本章小结  45-46
第二章气动同步系统的实验装置和数学建模  46-68
  2.1 引言  46-47
  2.2 气动同步系统的实验装置  47-48
    2.2.1 同步系统的原理  47-48
    2.2.2 气动同步系统与加载系统的硬件组成  48
  2.3 气动同步系统的数学模型  48-66
    2.3.1 数学建模的假设条件  48-49
    2.3.2 气缸的运动动力学方程  49-51
    2.3.3 气缸的压力微分方程  51-52
    2.3.4 比例阀的非线性模型  52-57
    2.3.5 质量流量公式  57-63
    2.3.6 无杆气缸的固定容积  63-66
  2.4 本章小结  66-68
第三章自适应鲁棒压力轨迹跟踪控制研究  68-88
  3.1 引言  68-69
  3.2 自适应鲁棒压力控制策略  69-75
    3.2.1 压力微分方程  69
    3.2.2 假设条件与控制难点  69-70
    3.2.3 参数投影映射  70-71
    3.2.4 期望压力轨迹初始化  71
    3.2.5 自适应鲁棒压力控制器的设计  71-74
    3.2.6 自适应鲁棒压力控制原理框图  74-75
  3.3 自适应卡尔曼滤波器的设计  75-78
  3.4 鲁棒反馈项的调节方法  78-80
  3.5 压力轨迹跟踪控制试验研究  80-86
    3.5.1 性能指标  80-81
    3.5.2 阶跃压力轨迹跟踪  81
    3.5.3 正弦压力轨迹跟踪  81-82
    3.5.4 抗干扰性能测试  82-84
    3.5.5 不同气源压力  84-86
  3.6 本章小结  86-88
第四章自适应鲁棒运动轨迹跟踪控制研究  88-114
  4.1 引言  88-89
  4.2 自适应鲁棒运动控制策略  89-99
    4.2.1 气缸的运动动力学方程  89
    4.2.2 气缸的压力微分方程(A腔)  89-90
    4.2.3 假设条件与控制难点  90-91
    4.2.4 参数投影映射  91
    4.2.5 期望运动轨迹初始化  91-92
    4.2.6 自适应鲁棒运动控制器的设计  92-98
    4.2.7 自适应鲁棒运动控制原理框图  98-99
  4.3 速度逼近位移修正的原理  99-102
    4.3.1 期望速度修正项的作用及其选取方法  99-100
    4.3.2 误差调节过程中的工况及其转化过程  100-102
  4.4 试验结果分析  102-111
    4.4.1 阶跃运动轨迹跟踪  103-105
    4.4.2 正弦运动轨迹跟踪  105-107
    4.4.3 不同压力等级的影响  107-110
    4.4.4 不同系统外力的影响  110-111
  4.5 本章小结  111-114
第五章运动与压力独立控制的若干问题研究  114-134
  5.1 引言  114-115
  5.2 负载口独立控制系统的静态工作点  115-122
    5.2.1 流阻与流导  115-116
    5.2.2 单执行机构简化模型  116-118
    5.2.3 简化模型分析  118-120
    5.2.4 系统速度敏感分析  120-121
    5.2.5 能量损失分析  121-122
  5.3 耗气量分析  122-127
    5.3.1 最大速度和平均速度  123
    5.3.2 最大耗气量和平均耗气量  123-124
    5.3.3 负载口独立控制系统的耗气量曲线  124-127
  5.4 负载口独立控制系统的线性化分析  127-133
    5.4.1 线性化的假设条件  127
    5.4.2 运动动力学方程的线性化  127
    5.4.3 压力微分方程的线性化  127-128
    5.4.4 质量流量公式的线性化  128-129
    5.4.5 负载口独立控制系统的传递函数  129-131
    5.4.6 负载敏感度和动态刚度  131-133
  5.5 本章小结  133-134
第六章机器摩擦力及气缸摩擦力研究  134-162
  6.1 引言  134
  6.2 古典摩擦理论及摩擦力建模  134-136
  6.3 一般机器摩擦的四个状态  136-138
  6.4 与位置有关的静摩擦区域及其建模  138-147
    6.4.1 预位移的建模  139-144
    6.4.2 变化的极限静摩擦力建模  144-147
  6.5 与速度有关的动摩擦区域及其建模  147-151
    6.5.1 什特里别克效应建模  148-150
    6.5.2 摩擦滞后现象建模  150-151
  6.6 气缸摩擦力的影响因素及已有的摩擦力建模  151-152
  6.7 无杆气缸的摩擦力建模、测试与辨识  152-161
    6.7.1 已有的气缸摩擦力测试结果与结论  152-154
    6.7.2 无杆气缸的极限静摩擦力与停滞时间的关系  154-156
    6.7.3 无杆气缸的极限静摩擦力与压力上升速率的关系  156-157
    6.7.4 无杆气缸的粘性摩擦系数与运动时间的关系  157-159
    6.7.5 气缸摩擦力完整的非线性模型  159-160
    6.7.6 气缸摩擦力简化的非线性模型  160-161
  6.8 本章小结  161-162
第七章无杆气缸的气动同步控制策略研究  162-180
  7.1 引言  162-163
  7.2 同步控制方式说明  163-164
  7.3 方式一:两缸运动开环、压力开环  164-166
  7.4 方式二:两缸运动开环、压力闭环  166-167
  7.5 方式三:单缸运动闭环、压力闭环  167-169
  7.6 方式四:两缸运动闭环、压力闭环、同步误差不反馈  169-173
  7.7 方式五:两缸运动闭环、压力闭环、同步误差双反馈  173-174
  7.8 方式六:两缸运动闭环、压力闭环、同步误差单反馈  174-178
  7.9 本章小结  178-180
第八章总结与展望  180-185
  8.1 论文总结  180-183
  8.2 创新点  183
  8.3 气动同步系统的研究展望  183-185
参考文献  185-203
作者简历及在攻读博士学位期间取得的研究成果  203-205

基于运动和压力独立控制的气动同步系统研究

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