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基于比例压力阀的摆动气缸的位置伺服系统的研究

徐正华  
【摘要】: 气动技术具有一系列显著优点,在工业生产中得到了越来越广泛的应用,已成为实现自动化技术不可缺少的手段。进入上世纪90年代后,气动技术更是突破传统死区,经历着飞速发展。气动伺服技术作为本学科的前沿研究领域,备受人们的重视。气动伺服定位技术已能使气缸在高速运动下实现任意点、高精度定位,突破了传统的气动定位方法。基于众多中小企业关于工程可行性好、性价比高的气动自动化设备改造的需求,本文提出了一种低成本的基于比例压力阀的直线气缸位置控制系统,仿真结果表明其具有理想的控制性能,因而以期能在工程中获得推广和应用。在工业自动化领域,存在大量的旋转位置伺服控制需求,因此,对气动旋转位置伺服控制进行研究有实用价值。 摆动气缸是一种常用的气动旋转驱动装置,由于摆动气缸较小的行程和较大的摩擦力矩使得对其实现高性能的位置伺服控制比较难。目前摆动气缸伺服定位的精度还不能满足实际应用的需求。本文对比例压力阀控制的摆动气缸位置伺服系统线性化数学模型、非线性摩擦力的补偿方法的建立以及对控制策略进行了理论分析和仿真试验,以期获得性能较好的气动位置伺服系统。 首先,本文对摆动气缸和比例压力阀进行了特性分析,详细地描述了摆动气缸的外负载和摩擦力的情况,对系统进行详细地分析,建立了较为完整的非线性数学模型并进行了合理的线性化。 其次,分析了由非线性摩擦力矩引起的系统稳态误差及粘滑振荡现象;在此基础上提出采用带摩擦力矩补偿的双环控制,其内环为压力控制环,外环为速度控制环,外环采用了摩擦力矩观测补偿器来减小非线性摩擦力矩对系统性能的不良影响。试验结果表明:与仅有速度控制环的控制策略相比该方法提高了系统的稳态精度和动态性能。 最后,本文对控制策略进行了详细的研究和设计,通过仿真验证了方案的可行性和有效性。针对系统易受外干扰的特点分别分析并比较了传统PID控制和灰色PID控制,仿真结果表明提出的灰色PID控制方法是稳定和有效的,系统在抗干扰和抗摄动能力方面都有明显的提高。


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