氣動伺服定位技術(shù)研究

1、南京理工大學(xué)氣動伺服定位技術(shù)研究 姓名 劉雷 學(xué)號 515101001453 專業(yè) 機(jī)械工程 氣動伺服定位技術(shù)研究劉雷 515101001453南京理工大學(xué)摘要：氣動技術(shù)具有一系列顯著優(yōu)點(diǎn)，在工業(yè)生產(chǎn)中得到了越來越廣泛的應(yīng)用，已成為自動化不可缺少的重要手段。進(jìn)入90年代后，氣動技術(shù)更是一步步突破傳統(tǒng)死區(qū)，經(jīng)歷著飛躍性的進(jìn)展。氣動伺服技術(shù)作為本學(xué)科的前沿研究領(lǐng)域，備受人們的重視。氣動伺服定位技術(shù)已經(jīng)能使氣缸在高速運(yùn)動下實(shí)現(xiàn)任意點(diǎn)高精度定位，突破傳統(tǒng)的氣動定位方法。關(guān)鍵詞：氣動伺服定位，控制，定位精度1.氣動技術(shù)的發(fā)展概況氣動技術(shù)是以空氣壓縮機(jī)為動力源，以壓縮空氣為工作介質(zhì)，進(jìn)行能量轉(zhuǎn)換、傳遞，實(shí)

2、現(xiàn)生產(chǎn)機(jī)械化和自動化的一門技術(shù)。由于氣動技術(shù)具有傳動速度快、無污染、維護(hù)方便和成本低廉等優(yōu)點(diǎn)，使其在工農(nóng)業(yè)及醫(yī)療、食品、造紙等行業(yè)中得到了廣泛的應(yīng)用。氣動技術(shù)已經(jīng)成為當(dāng)今實(shí)現(xiàn)自動控制的重壓手段之一。以空氣作為工作介質(zhì)來傳遞動力，起始于十八世紀(jì)的英國工業(yè)革命。那時的氣動裝置（如空氣壓縮機(jī)、氣動風(fēng)鎬等），顯示了氣壓傳動簡單、快速、安全、可靠等特點(diǎn)，開創(chuàng)了氣壓傳動應(yīng)用技術(shù)的先河。但這些氣動裝置主要是用來傳遞動力并做功。而現(xiàn)代氣動技術(shù)（包括傳動和控制）在工業(yè)生產(chǎn)中的實(shí)際應(yīng)用起始于上個世紀(jì)的五十年代。那時出現(xiàn)的射流邏輯元件和各種有可動件組成的氣動邏輯元件，開始把數(shù)字技術(shù)和邏輯代數(shù)等技術(shù)引進(jìn)氣動領(lǐng)域，這才

3、賦予氣動技術(shù)以新的內(nèi)容，使氣動技術(shù)真正具有傳動和控制兩方面的含義。七、八十年代，氣動元件向著集成化、小型化方向發(fā)展。九十年代，氣動技術(shù)突破了傳統(tǒng)的死區(qū)，經(jīng)歷了飛躍性的發(fā)展，重復(fù)精度小于0.01mm的模塊化手動機(jī)械手，5m/s低速平穩(wěn)運(yùn)行及17m/s高速運(yùn)動的氣缸相繼問世。而且氣動技術(shù)與計(jì)算機(jī)、電氣、傳感、通訊等技術(shù)相結(jié)合，從而產(chǎn)生了智能氣動，如智能閥島、模塊化機(jī)械手。氣動技術(shù)正向著無給油化、小型化、集成化、電氣一體化和智能化的方向發(fā)展?，F(xiàn)代制造業(yè)的不斷發(fā)展，自動化技術(shù)的不斷提高，對氣動控制系統(tǒng)提出了更高的要求，從而也推動了氣動控制技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展。近年來，氣動控制技術(shù)適應(yīng)形勢的發(fā)展，通過與電子

4、技術(shù)及機(jī)械技術(shù)的有機(jī)結(jié)合，實(shí)現(xiàn)了電-氣-機(jī)一體化。氣動伺服系統(tǒng)的出現(xiàn)，大大拓寬了氣動技術(shù)的應(yīng)用范圍，特別是為氣動機(jī)器人、氣動機(jī)械手大規(guī)模進(jìn)入工業(yè)自動化領(lǐng)域開辟了十分廣闊的前景。人們已經(jīng)開始研究用氣動伺服系統(tǒng)去完成一些改進(jìn)和優(yōu)化的控制任務(wù)，來代替?zhèn)鹘y(tǒng)的開關(guān)閥控制，進(jìn)而提供一個更加柔性的、精確的和高效的控制。早期的氣動伺服技術(shù)是在二十世紀(jì)五十年代后期由Shearer等人在美國麻省理工學(xué)院開始研究的1，并將其應(yīng)用于航天飛行器的姿態(tài)控制和飛行穩(wěn)定性控制中，這為后來的研究與開發(fā)奠定了基礎(chǔ)。但當(dāng)時的氣動伺服系統(tǒng)大都采用機(jī)械控制方式，將最終輸出量轉(zhuǎn)化為機(jī)械彈簧位移或氣壓信號，然后反饋至調(diào)節(jié)氣閥，實(shí)現(xiàn)對輸出量

5、的連續(xù)控制。這些系統(tǒng)的最大缺點(diǎn)是結(jié)構(gòu)復(fù)雜，控制精度低，在高頻響應(yīng)的閉環(huán)系統(tǒng)中，執(zhí)行器位置的穩(wěn)定性很難控制。而且受當(dāng)時的技術(shù)水平等條件所限，氣動伺服系統(tǒng)只能應(yīng)用于工作介質(zhì)為高溫高壓的條件下。一旦以工業(yè)應(yīng)用中的低壓氣源（低于10bar）2為工作介質(zhì)，氣動伺服系統(tǒng)就暴露出阻尼小、固有頻率低、剛度差和嚴(yán)重非線性3等弱點(diǎn)。利用傳統(tǒng)的控制方法和理論很難達(dá)到理想的控制效果。因此，在六、七十年代，液壓伺服技術(shù)得到蓬勃發(fā)展的時候，氣壓伺服技術(shù)卻滯止不前，進(jìn)展緩慢。后來，現(xiàn)代控制理論的發(fā)展，為氣動伺服技術(shù)的研究奠定了嶄新的理論基礎(chǔ)。1979年，西德Aachen.R.W工業(yè)大學(xué)成功研制出世界上第一臺氣動伺服閥，使氣

6、動伺服控制技術(shù)進(jìn)入了一個全新的發(fā)展階段4。八十年代以后，由于微電子技術(shù)和現(xiàn)代控制理論的迅速發(fā)展，電子技術(shù)已滲透到工業(yè)的各個領(lǐng)域，各種性能優(yōu)良的電氣控制元件不斷出現(xiàn)，為氣動技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展創(chuàng)造了良好的條件。國外著名的氣動元件公司，如德國的Festo、Bosch和日本的SMC等公司先后研制出電氣比例閥、電氣伺服閥和高速開關(guān)閥，并利用現(xiàn)場總線技術(shù)、PLC控制器及計(jì)算機(jī)技術(shù)，使得各種新型的控制方式（開關(guān)控制、PWM控制、PCM控制）得以發(fā)展，氣動伺服技術(shù)出現(xiàn)蓬勃發(fā)展的良好新局面。氣動伺服控制的應(yīng)用領(lǐng)域也從過去的礦山機(jī)械、機(jī)床、化工等行業(yè)擴(kuò)展到自動加工、自動裝配和包裝、工業(yè)機(jī)器人、太空和海洋探索等領(lǐng)域5

7、。近年來，國內(nèi)外一些學(xué)者和研究人員在各種新型氣動元件的基礎(chǔ)上，利用現(xiàn)代控制理論和方法，對氣動元件和電-氣伺服控制技術(shù)進(jìn)行了深入而細(xì)致的研究，并取得了一定的成果。例如，D.Ben-Dov等對氣缸的輸出力控制進(jìn)行了研究，K.Araki對氣動伺服系統(tǒng)采用具有定常軌跡算法的模型參考自適應(yīng)，討論了氣動伺服系統(tǒng)參數(shù)變化對模型參考自適應(yīng)的有效性，以及實(shí)際系統(tǒng)的降階模型誤差對高頻部分的影響6。浙江大學(xué)陶國良等研究了氣動比例/伺服位置控制系統(tǒng)的摩擦力特性，并對Sanvile的1/4橢圓規(guī)律提出了修正公式7。智能控制理論產(chǎn)生后，以其新穎豐富的思想和強(qiáng)大的非線性問題求解能力迅速滲透到電-氣控制領(lǐng)域。除此之外，遞階智

8、能控制、基于規(guī)則的仿人智能控制、學(xué)習(xí)控制和自適應(yīng)學(xué)習(xí)控制、遺傳算法也受到人們的重視。北京理工大學(xué)的楊功軍博士對氣動控制采用FUZZY-PI復(fù)合控制技術(shù)，呂強(qiáng)博士，張翠芳博士8-12研究了遞歸多層神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，對氣動脈寬調(diào)制位置系統(tǒng)進(jìn)行在線辨識和位置識別，國外對智能控制的研究更是層出不窮。多年的研究使人們認(rèn)識了氣動系統(tǒng)的復(fù)雜性，找出了影響氣動系統(tǒng)性能的主要因素、以及系統(tǒng)許多內(nèi)在特性，如氣體在控制中的流動性、熱動力學(xué)特性、系統(tǒng)本身的非線性，并將智能控制（神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制、模糊控制）以及一些優(yōu)化算法（遺傳算法、群蟻算法）應(yīng)用到研究中，發(fā)展了多種形式的控制系統(tǒng)。這些研究為氣動伺服控制技術(shù)的應(yīng)用打下了良好的基礎(chǔ)

9、，但氣動伺服技術(shù)邁向全面實(shí)用化還需要很長的路要走。由于空氣的壓縮性大、粘性小，以及流量方程的非線性，氣缸本身存在較大摩擦力等原因，系統(tǒng)的穩(wěn)定性易受外界干擾和系統(tǒng)參數(shù)變化的影響，難以實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確、穩(wěn)定的位置控制和速度控制，在控制過程中也易出現(xiàn)超調(diào)、相位滯后等現(xiàn)象，特別在低速運(yùn)行時易出現(xiàn)爬行，這些不利因素均限制了氣動伺服控制技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用。因此，氣動伺服控制技術(shù)的私用有待于進(jìn)一步研究。隨著工業(yè)自動化技術(shù)的發(fā)展，傳統(tǒng)氣動系統(tǒng)只能在兩個機(jī)械設(shè)定位置可靠定位并且其運(yùn)動速度只能靠單向節(jié)流閥單一設(shè)定的狀況，經(jīng)常無法滿足許多設(shè)備的自動控制要求。因而電-氣比例和伺服控制系統(tǒng)，特別是定位系統(tǒng)可非常方便地實(shí)現(xiàn)多點(diǎn)無級

10、定位（柔性定位）和無級調(diào)速，此外，利用伺服定位氣缸的運(yùn)動速度連續(xù)可調(diào)性以替代傳統(tǒng)的節(jié)流閥加氣缸端位緩沖器方式，可以達(dá)到最佳的速度和緩沖效果，大幅度降低氣缸的動作時間，縮短工序節(jié)拍，提高生產(chǎn)率。2.氣動伺服控制技術(shù)的現(xiàn)狀以上的氣動開關(guān)控制系統(tǒng)，盡管采用了位移傳感器，但位移信號只是作為邏輯判斷用，沒有用來調(diào)節(jié)控制信號的大小，其本質(zhì)上仍是開環(huán)控制，或者說是準(zhǔn)閉環(huán)控制。因此，這種系統(tǒng)的特點(diǎn)是成本低、控制簡單；但進(jìn)一步提高精度受到限制。隨著進(jìn)一步的研究，日本的則次俊郎第一個將PCM控制技術(shù)用于氣動系統(tǒng)，并成功用PCM方式控制了Pendar公司的三自由度機(jī)器人，他獲得的定位精度約為±0.25mm

11、。我國對氣動PCM控制的研究是從90年代初開始的，主要的研究人員有哈工大劉慶和教授領(lǐng)導(dǎo)的課題組，山東輕工學(xué)院的寧舒。我國鄭學(xué)明博士對Fuzzy-PI控制氣動PCM位置系統(tǒng)進(jìn)行了研究并獲得了±0.25mm的定位精度。另外，王宣銀博士首次提出變增益PCM控制，并利用自校正，自學(xué)習(xí)控制算法，獲得了±0.18mm的定位精度。這些都對準(zhǔn)確地確定電-氣伺服控制系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型是非常有意義的，并為電-氣伺服控制技術(shù)的發(fā)展創(chuàng)造了良好的條件13。由于現(xiàn)代控制理論和微電子技術(shù)，特別是計(jì)算機(jī)技術(shù)的迅速發(fā)展，電子技術(shù)已經(jīng)滲透到各個領(lǐng)域；同時在氣動領(lǐng)域，執(zhí)行元件和控制元件的性能有了很大的進(jìn)展，不同形式

12、氣缸的潤滑和摩擦特性顯著提高，動態(tài)和靜態(tài)的性能更優(yōu)，速度更快的控制閥已經(jīng)進(jìn)入市場，它們和微電子傳感器技術(shù)結(jié)合更加緊密。氣動元件的發(fā)展正逐步走向微型化、智能化、系統(tǒng)化，有力的推動了氣動伺服控制技術(shù)的發(fā)展。目前，各種電-氣伺服控制系統(tǒng)已經(jīng)成功的應(yīng)用于機(jī)械手定位機(jī)構(gòu)、包裝機(jī)械、柔性抓取機(jī)構(gòu)等14。不斷涌現(xiàn)的各種工作狀況對電-氣伺服控制系統(tǒng)的控制策略提出了更高的要求，而古典控制理論是這些控制策略的基礎(chǔ)。PID控制是古典控制理論的核心，基于系統(tǒng)誤差的現(xiàn)實(shí)因素、過去因素和未來因素進(jìn)行線性組合來確定控制量，具有簡單、實(shí)用等特點(diǎn)，在氣動控制技術(shù)中得到了廣泛的應(yīng)用15。PID控制設(shè)計(jì)的難點(diǎn)是比例、積分及微分增益

13、系數(shù)的確定。合適的增益系數(shù)的獲得，需經(jīng)過大量實(shí)驗(yàn)，工作量很大。另一方面，PID控制不適用于被控對象參數(shù)時變、有外部擾動及大滯后系統(tǒng)等場合。在此情況下，可以使用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)與PID控制并行組成控制器，利用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的自學(xué)習(xí)功能，在線調(diào)整增益系數(shù)，抑制因參數(shù)變化等對系統(tǒng)性能造成的影響。也可以使用各種現(xiàn)代控制理論，如最優(yōu)控制、魯棒控制、H控制等來設(shè)計(jì)控制器，構(gòu)成具有魯棒性較強(qiáng)的控制系統(tǒng)。目前應(yīng)用現(xiàn)代控制理論來控制氣缸活塞位移和力的研究相當(dāng)活躍，并取得了一定的研究成果。日本Okayama大學(xué)的T.Noritsugu教授和M.Takaiwa博士研究了基于壓力控制的氣動位置伺服系統(tǒng)的魯棒控制，并指出要提高系統(tǒng)的

14、控制特性，壓力控制是不可缺少的。該研究將氣缸的兩腔壓力信號引入控制器，并在控制器中設(shè)置了一個擾動觀測器以提高系統(tǒng)的壓力響應(yīng)，減少摩擦力變化和系統(tǒng)參數(shù)變化的影響，系統(tǒng)的魯棒性有了顯著的提高。自適應(yīng)控制在氣動伺服位置控制領(lǐng)域研究較多的有自校正控制和模型參考自適應(yīng)控制兩類。自適應(yīng)控制系統(tǒng)的最大特點(diǎn)是被控對象能自動適應(yīng)工作環(huán)境及自身參數(shù)在一定范圍內(nèi)變化，使系統(tǒng)始終保持在優(yōu)化狀態(tài)下工作。自適應(yīng)控制的出現(xiàn)，改變了控制系統(tǒng)只能在事先確定的參數(shù)狀態(tài)下工作的局限。盡管當(dāng)前各種自適應(yīng)控制在氣動控制領(lǐng)域中有了一定的應(yīng)用，但并不廣泛。其主要局限在于在線計(jì)算工作量大和需事先知道數(shù)學(xué)模型或是一些先驗(yàn)知識，要滿足李雅普諾夫

15、或波波夫穩(wěn)定性條件等。當(dāng)前自適應(yīng)控制的進(jìn)一步研究方向是減少在線計(jì)算工作量及對數(shù)學(xué)模型的依賴性，使之能夠滿足比較復(fù)雜的氣動系統(tǒng)在線控制的需要。結(jié)合控制理論和現(xiàn)代電子技術(shù)，全數(shù)字化伺服控制器已經(jīng)成為研究熱點(diǎn)16。以美國TEXAS INSTRUMENT 公司推出的TMS320系列高性能數(shù)字信號處理器（DSP）可望實(shí)現(xiàn)伺服系統(tǒng)的全數(shù)字化。與全硬件以及混合型系統(tǒng)想比，全數(shù)字化進(jìn)給伺服系統(tǒng)有許多明顯的優(yōu)點(diǎn):（1）在全硬件和混合型系統(tǒng)中模擬信號因溫度、器件老化等原因引起零點(diǎn)漂移和偏離，在全數(shù)字化系統(tǒng)中，對模擬電平以下的信號漂移，噪聲干擾將不予響應(yīng)，而且還可以用軟件進(jìn)行自動補(bǔ)償，因而提高了速度、位置控制的精度

16、和穩(wěn)定性。（2）在全硬件的模擬控制系統(tǒng)中，微弱信號的信噪比很難分離，而在全數(shù)字伺服系統(tǒng)中，可以通過數(shù)字濾波技術(shù)將其除去。（3）全數(shù)字化伺服系統(tǒng)可以采用軟件實(shí)現(xiàn)對各種測量誤差進(jìn)行補(bǔ)償，實(shí)現(xiàn)精確的伺服控制。（4）全數(shù)字化伺服系統(tǒng)中控制環(huán)全部軟件化，很容易引進(jìn)經(jīng)典和現(xiàn)代控制理論，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)最佳控制。（5）系統(tǒng)能夠高速地傳遞各種狀態(tài)信息參數(shù)，進(jìn)行系統(tǒng)故障的自診斷和報警17。3.氣動伺服系統(tǒng)的組成與分類氣動伺服系統(tǒng)一般由控制器、電-氣控制元件、氣動執(zhí)行元件和反饋器件（傳感器）組成（如圖1.1所示）?？刂破饕话阒赣?jì)算機(jī)或可編程控制器等器件；電-氣控制元件為電氣比例閥、電氣伺服閥和電氣開關(guān)閥；氣動執(zhí)行元件一般

17、包括氣缸、氣爪和人工肌肉等；反饋器件一般指位移傳感器、加速度傳感器等。圖1.1氣動伺服系統(tǒng)的系統(tǒng)組成氣動伺服控制系統(tǒng)按被控參數(shù)分類，可分為速度控制系統(tǒng)、位置控制系統(tǒng)、力控制系統(tǒng)、位置與力復(fù)合控制系統(tǒng)等。按控制元件分類，則有以下幾種方式：（1）以氣動比例閥為控制元件構(gòu)成的系統(tǒng)，氣動比例閥隨著比例電磁鐵技術(shù)的日益成熟，已出現(xiàn)商品化產(chǎn)品，且價格適中。（2）以氣動伺服閥為控制元件構(gòu)成的系統(tǒng)，這種方式性能最好，但由于氣動伺服閥結(jié)構(gòu)復(fù)雜、價格較高、利用條件苛刻，一般的應(yīng)用場合難以接受。（3）以氣動開關(guān)閥為控制元件，配合以PWM、PCM、PNM等控制方式構(gòu)成的系統(tǒng)。按控制方式分類，氣動伺服系統(tǒng)可分為電-氣開

18、關(guān)/伺服系統(tǒng)和電-氣比例/伺服系統(tǒng)兩類。其中，電-氣比例/伺服系統(tǒng)占有主要地位。此類系統(tǒng)的電氣控制元件是電-氣比例/伺服閥，通過調(diào)節(jié)作用在比例電磁鐵上的電壓或電流大小，可實(shí)現(xiàn)閥出口流量或壓力的連續(xù)控制，從而實(shí)現(xiàn)氣動執(zhí)行機(jī)構(gòu)的高精度定位、速度或力的伺服控制。參考文獻(xiàn)：1 R. Harrision, R. H. Weston, P. R. Moor. A Study of Application Areas for Modular Robots Robotica.1987(5):217-2212 L. R. Botting. The Response of a High Pressure Pneu

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