提高氣缸運動伺服控制精度的方法-綜述與展望

引言低成本、無污染的氣動技術(shù)是重要工程技術(shù)之一。由于氣動執(zhí)行器摩擦力和氣體可壓縮性等非線性因素的影響，氣動伺服系統(tǒng)的控制精度不高，因此其應(yīng)用場合也受到限制。為此，研究人員采取了一系列有針對性的措施。本文將這些措施主要歸納為以下4類：高精度摩擦建模與補償、采用先進控制策略、增大系統(tǒng)氣剛度和改善氣缸摩擦特性。高精度摩擦建模與補償鑒于氣缸摩擦力是影響系統(tǒng)控制性能的重要因素之一，進行摩擦補償是實現(xiàn)高精度氣動伺服控制直接且有效的手段。上個世紀，有很多經(jīng)典的摩擦模型被提出，如Stribeck摩擦模型、Dahl摩擦模型、LuGre摩擦模型。一些研究也發(fā)現(xiàn)基于摩擦補償?shù)臍鈩铀欧狄越y(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)更好的運動控制性能。不過，由于摩擦具有不確定性和時變性等諸多缺點，氣缸的實際摩擦模型很難精確建立。圖1一些經(jīng)典摩擦模型的總結(jié)采用先進的控制策略國內(nèi)外學(xué)者在氣缸運動控制方面進行了大量研究工作，目前廣泛應(yīng)用的控制策略主要可以分為兩類：改進的線性控制和非線性魯棒控制。對于改進的線性控制，研究人員大多采用增益調(diào)度、最優(yōu)控制、人工智能等手段來彌補其不足，但精度提高的比較有限。對于非線性魯棒控制，算法理論更為嚴謹，閉環(huán)系統(tǒng)的魯棒穩(wěn)定性和魯棒性也得到廣泛論證。相比之下，非線性魯棒控制一般能實現(xiàn)更高的控制精度。因此，本文主要介紹了滑模控制、基于反步法的魯棒控制、自適應(yīng)控制以及自適應(yīng)魯棒控制這四種非線性控制策略。圖2基于先進控制策略的氣缸運動伺服控制試驗臺增大系統(tǒng)氣剛度閥控氣缸系統(tǒng)屬于彈性系統(tǒng)。眾所周知，彈性系統(tǒng)的剛度越大，抵抗外部干擾能力就越強。對于目前的閥控缸系統(tǒng)來說，其剛度仍然有提升的空間。通過控制的手段激發(fā)系統(tǒng)剛度的潛力，即剛度的最大化控制，理論上可有效提高氣缸運動伺服控制精度。這方面研究并不多，但相關(guān)研究結(jié)果已經(jīng)表明通過增大系統(tǒng)氣剛度來提高精度是可行的。因此，增大系統(tǒng)氣剛度是未來值得繼續(xù)研究的方向。圖3基于剛度最大化控制的氣缸運動伺服控制試驗臺改善氣缸摩擦特性氣缸中的摩擦力主要由密封件與接觸表面之間的相對運動產(chǎn)生。摩擦的存在有利有弊。一方面，摩擦具有增加阻尼使系統(tǒng)穩(wěn)定的優(yōu)點。另一方面，摩擦可能會導(dǎo)致密封件磨損、輸出力降低以及低速運動的爬行現(xiàn)象。因此，氣缸中摩擦的存在往往弊大于利。減弱或消除摩擦可以有效改善氣缸摩擦特性，這也一直是氣動領(lǐng)域所熱衷的研究方向。目前，間隙密封技術(shù)、磁流變密封技術(shù)、振動減摩技術(shù)、氣體潤滑技術(shù)等多種技術(shù)已經(jīng)被應(yīng)用到氣動領(lǐng)域并有效改善了氣缸摩擦特性。圖4摩擦特性得到改善的新型氣缸結(jié)構(gòu)結(jié)論和展望總的來說，現(xiàn)有方法對氣缸運動伺服控制精度的提升似乎達到了瓶頸。在今后的研究中，我們將考慮整體消除氣缸摩擦以去除其中的不確定部分，并引入恒定或可控的阻