氣動(dòng)比例閥控系統(tǒng)摩擦力補(bǔ)償及仿真研究.doc

-專業(yè)文檔，值得下載!-專業(yè)文檔，值得珍藏！-氣動(dòng)比例閥控系統(tǒng)摩擦力補(bǔ)償及仿真研究趙秀華,王曉強(qiáng)，范桂杰文章摘要在氣動(dòng)比例位置控制系統(tǒng)中，摩擦力的存在是影響其定位精度的一個(gè)關(guān)鍵因素。本文采用疊加低幅高頻顫振信號(hào)的方法，運(yùn)用BP網(wǎng)絡(luò)自學(xué)習(xí)功能在線調(diào)整顫振信號(hào)幅值，解決了由比例閥和無桿氣缸的摩擦力引起的系統(tǒng)定位精度的問題。仿真結(jié)果證明該方法是有效的。關(guān)鍵詞氣動(dòng)比例系統(tǒng)；摩擦力補(bǔ)償；BP網(wǎng)絡(luò)TheFrictionCompensationandtheSimulationStudyofthePneumaticProportionalValveControlSystemZHAOXiu-hua,WANGXiao-qiang，F(xiàn)ANGui-jieAbstract:Inordertoachievehighprecisionpositioncontrolinpneumaticsystem,frictionmustbecompensatedfor.Inthispaper,AkindofAddingpulsesignaltotheoriginalcontrolsignalmethodwasintroducedtosolvethisproblem,adjustingthevalueofthepulsesignalonlineusingtheself-learningfunctionoftheBPnetwork.Thesimulationresultsprovedthatthemethodiseffective.Keywords:Pneumaticproportionalsystem；frictioncompensation；BPnetwork；在氣動(dòng)比例位置控制系統(tǒng)中，系統(tǒng)低速運(yùn)行時(shí)會(huì)出現(xiàn)不平穩(wěn)的現(xiàn)象，這會(huì)影響系統(tǒng)的正常工作，降低系統(tǒng)的定位精度1。這主要是因?yàn)橄到y(tǒng)中比例閥和氣缸存在著靜、動(dòng)摩擦力等非線性特性。系統(tǒng)在低速運(yùn)行時(shí)具有如圖1所示的摩擦特性曲線，從控制理論上分析，這一現(xiàn)象將產(chǎn)生一個(gè)正反饋，從而引起系統(tǒng)不穩(wěn)定（爬行）。因此，克服摩擦力的影響是提高系統(tǒng)性能的一個(gè)重要因素。圖1低速運(yùn)動(dòng)時(shí)的摩擦特性曲線Fig.1Frictionpropertycurveoflowspeed1氣動(dòng)比例系統(tǒng)摩擦力特性及補(bǔ)償分析摩擦力補(bǔ)償有兩個(gè)主要途徑2，3，即顫振控制和脈沖控制。顫振控制是在控制信號(hào)上疊加一個(gè)高頻不等幅的信號(hào)。主要思想是顫振信號(hào)的幅值足夠大以克服摩擦力，并且頻率足夠高以使在系統(tǒng)信號(hào)的頻率范圍上產(chǎn)生擾動(dòng)。由于從控制閥的輸出幅值在很大程度上受到限制，因此，不可能產(chǎn)生一個(gè)高頻壓力信號(hào)加在氣缸上，即使可能的話，結(jié)果也會(huì)使閥受到很大的磨損。對于脈沖控制，同樣的，由于動(dòng)力學(xué)因素和氣缸的限制，不可能產(chǎn)生加在氣缸上的高頻壓力信號(hào)。所以要補(bǔ)償比例系統(tǒng)的摩擦力，必須使用除上述兩種方法之外的其他方法。理想的摩擦補(bǔ)償是在控制信號(hào)的變化方向上疊加脈沖信號(hào)的函數(shù)，每個(gè)脈沖都有足夠的能量以消除靜態(tài)摩擦。如果能量過小，閥會(huì)處于鎖緊狀態(tài)。如果能量過大，閥的滑動(dòng)量就會(huì)超過所需的范圍。本文主要是對圖2所示系統(tǒng)的比例閥和氣缸的摩擦力進(jìn)行補(bǔ)償，從而提高它的定位精度。2實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)組成和原理如圖2所示，本實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)主要由無桿氣缸、比例控制閥、位移傳感器、A/D、D/A轉(zhuǎn)換裝置和計(jì)算機(jī)等組成。氣缸采用DGPL-25-500-PPV-A-GF-B型無桿氣缸，是系統(tǒng)的被控對象，目的是實(shí)現(xiàn)活塞位移按給定規(guī)律變化。傳感器為MLO-POT-500-TLF型電位計(jì)式模擬位移傳感器，是系統(tǒng)的反饋檢測元件，在線檢測活塞位移，輸出電壓隨測量位置在010V之間連續(xù)變化。比例閥采用MPYE-5-1/8-010B型3位5通比例閥，作用是把電信號(hào)轉(zhuǎn)化為氣動(dòng)信號(hào)，驅(qū)動(dòng)氣缸活塞動(dòng)作。A/D、D/A轉(zhuǎn)換由HY-6070通用數(shù)據(jù)采集控制板完成。實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的工作原理：通過計(jì)算機(jī)軟件對比-專業(yè)文檔，值得下載!-2例閥、無桿氣缸的控制調(diào)節(jié)作用，使輸入電壓信號(hào)eu與氣缸位移反饋信號(hào)fu（fu與氣缸位移是線性關(guān)系）之差u減小并趨于零，從而實(shí)現(xiàn)氣缸位移對輸入信號(hào)的跟蹤。2實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)組成示意圖Fig.2Sketchdrawingoftheexperimentsystem本文中所使用的摩擦補(bǔ)償信號(hào)是由一系列低幅高頻脈沖信號(hào)組成。摩擦力補(bǔ)償?shù)脑砣鐖D3所示，在控制信號(hào)變化率方向上，對控制信號(hào)疊加一短脈沖。只要誤差非零，信號(hào)就會(huì)不斷發(fā)生變化。加在比例閥上的壓力就會(huì)不斷變化，直到閥開始滑動(dòng)。圖3疊加顫振信號(hào)的控制系統(tǒng)框圖Fig.3Framedrawingoftheaddingpulsesignalcontrolsystem控制信號(hào)由兩部分組成：)()()(tututuke式中)(tu為PID控制器的輸出，)(tuk為脈沖信號(hào)，)(tuk的特征參數(shù)：脈沖時(shí)間間隔kh，幅值a，脈寬，)(tuk由下式?jīng)Q定：kpkppkhtthtttutusignatu0)()()(pt為前一脈沖時(shí)刻。a為變量，通過BP網(wǎng)絡(luò)自學(xué)習(xí)計(jì)算得到。BP網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)如圖4所示，采用383的結(jié)構(gòu)。圖4用于自學(xué)習(xí)的BP網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)示意圖Fig.4SketchdrawingoftheBPnetworkstructure)()1()(kakaka（k=1,2,3）)2()1(2)()()1()()(kekekeCkBekekeAka（k=1,2,3）其中A、B、C的值為BP網(wǎng)絡(luò)的輸出。)()()(kykrke為系統(tǒng)對控制信號(hào)的跟蹤誤差；目的是通過在線調(diào)節(jié)補(bǔ)償值，使性能指標(biāo)函數(shù)2/)()()(2kykrkE極小化，其中，)(kr為輸入，)(ky為系統(tǒng)輸出。3幅值a、脈寬和脈沖間隔kh的確定a應(yīng)選定一初始值。如果a過大，比例閥開口量過大，會(huì)導(dǎo)致氣缸低壓端產(chǎn)生真空，發(fā)生失控現(xiàn)象。測試表明：a選擇在0.01a0.04范圍內(nèi)比較合適。本研究選取a=0.03。當(dāng)閥滑動(dòng)時(shí)，輸入的能量不能太大，這一點(diǎn)非常重要。因此，脈沖信號(hào)的脈寬應(yīng)該較小。在實(shí)際應(yīng)用中，不應(yīng)小于采樣周期，可以為一個(gè)或多個(gè)采樣周期，可調(diào)。本研究取=1.5ST，采樣周期ST為定位時(shí)間的1/120。脈沖信號(hào)的時(shí)間間隔kh應(yīng)比控制器的采樣時(shí)間間隔大，也要大于脈寬。本文將脈沖間隔kh和脈寬聯(lián)系起來。kh取為nhk，其中2n5，這里取n=4。4仿真研究圖5圖8是利用MATLAB中的Simulink軟件對圖2所示系統(tǒng)的摩擦力補(bǔ)償方法的仿真圖形。圖5、圖6分別是補(bǔ)償前輸入信號(hào)分別為階躍信號(hào)和正弦信號(hào)時(shí)的仿真曲線，圖7、圖8為補(bǔ)償后的仿真曲線。其中曲線1為理想曲線，曲-專業(yè)文檔，值得下載!-3線2為仿真曲線。圖5補(bǔ)償前階躍信號(hào)跟蹤圖Fig.5Simulationdrawingoftrackingstepsignalbeforecompensation圖6補(bǔ)償前正弦信號(hào)跟蹤圖Fig.6Simulationdrawingoftrackingsinesignalbeforecompensation從圖中可以看出，摩擦力補(bǔ)償前，系統(tǒng)響應(yīng)速度比較慢，定位誤差較大，特別是正弦信號(hào)，而補(bǔ)償后系統(tǒng)調(diào)節(jié)時(shí)間明顯縮短，定位誤差很小，理想曲線和仿真曲線幾乎重合。這說明采用該補(bǔ)償方法是可行的。圖7補(bǔ)償后階躍信號(hào)跟蹤圖Fig.7Simulationdrawingoftrackingstepsignalaftercompensation圖8補(bǔ)償后正弦信號(hào)跟蹤圖Fig.8Simulationdrawingoftrackingsinesignalaftercompensation5結(jié)論本文采用疊加脈沖信號(hào)的方法，運(yùn)用BP網(wǎng)絡(luò)自學(xué)習(xí)功能在線調(diào)整脈沖信號(hào)幅值，解決了氣動(dòng)比例系統(tǒng)中由比例閥和氣缸的摩擦力引起的系統(tǒng)定位不準(zhǔn)的問題。應(yīng)用MATLAB中的Simulink軟件補(bǔ)償前后的系統(tǒng)性能進(jìn)行了仿真，結(jié)果證明通過疊加脈沖信號(hào)并在線調(diào)整脈沖信號(hào)幅值對系統(tǒng)的摩擦力進(jìn)行補(bǔ)償?shù)姆椒ㄊ怯行У模a(bǔ)償后，系統(tǒng)的性能得到明顯改善。參考文獻(xiàn)：1陸鑫盛周洪.氣動(dòng)自動(dòng)化系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計(jì)M.上海：上?？茖W(xué)技術(shù)文獻(xiàn)出版社，2000：399-401.2叢爽.兩種補(bǔ)償動(dòng)態(tài)摩擦力的先進(jìn)控制策略J.自動(dòng)