气压位置伺服控制装置设计与实现.doc

气压位置伺服控制装置设计与实现
专业:自动化 学生姓名：胡慧 指导教师：郑恩辉 许宏
摘要：气动技术是一种传动与控制技术，在加工制造业、机器人等领域受到越来越多的重视，并获得了广泛的应用。气动技术由于空气介质易获取、污染小、易存储、传输快等优点，适用于易燃、易爆、强辐射和多粉尘等恶劣环境，在工程实际应用中得到了前所未有的发展。但是，因为气体介质的可压缩性、低粘性，使得系统的定位精度、定位刚度、低速特性和频响都难以进一步提高，系统的固有频率和阻尼比都比较低，稳定性大受影响，非线性严重，限制了其进一步应用。
为了研究气压位置伺服控制系统的特性，本设计搭建一套气压位置伺服控制硬件装置并在此装置上研究增量式PID和模糊控制算法的控制性能。硬件装置主要由日本SMC公司的CM2XL32-250型气缸、VQ110U-5L型电磁阀、长春三峰传感器有限公司的LMS-2-25-300-F型光栅传感器、北京华控技术有限公司的HY-6060C/6070C通用数据采集控制板卡构成。软件系统主要包括主程序、中断服务程序、数据采集程序、画图程序、控制算法程序及阀驱动程序。光栅尺出来的信号通过位置检测电路处理经过数据采集卡送到计算机，通过计算机中预先给定的软件程序处理，再经过数据采集卡输出控制信号给驱动电路来控制电磁阀运动。
基于PID和PID+模糊复合控制两种控制方法的试验研究表明：两种方法基本满足位置控制要求，其中后者优于前者。
关键词：气压位置伺服控制 PWM控制 PID PID+模糊
1．引言
气动技术是一种传动与控制技术，在加工制造业领域越来越受到人们的重视，并获得了广泛的应用。目前，伴随着微电子技术、通信技术和自动控制技术的迅速发展，气动技术也在不断创新，以工程实际应用为目标，已得到了前所未有的发展。
在工业领域中，一直在研究、试验和运用许多新的气动控制设备，因此气压伺服系统的组成部分也很多，但其基本组成包括气动控制元件和执行元件，如控制阀、气缸或者由这些元件构成的组合元件。
2．气压伺服系统的基本组成和结构原理
凡是气压伺服系统，其基本构成除了有气动控制元件和气动执行元件(马达、气缸等)组成驱动回路(或称动力回路)外，还应当有反馈电位计、伺服放大器、传感器等形成的信息反馈回路。
和气压传动一样，从能量传递和转换意义上看，气压伺服系统也是一个通过工作介质进行能量调节、传递和转换的装置。因此，任何一个气压伺服系统，都可归纳为如下几个组成部分：
能量转换部件：气马达、气缸(气压作动筒)；
能量调节部件：节流板孔、节流阀、气动滑阀、喷嘴挡板阀、射流管阀、减压阀等；
能量传递部件：管道及管路上各种辅助元件(滤清器等)；
信息回路部件：各种检测元件、传感器(压力传感器、位移传感器、速度传感器等)以及各种放大器；
气压伺服系统结构原理图如图2.1，气压伺服系统的控制框图如图2.2。

图2.1 气压伺服系统结构原理图

图2.2 气压伺服系统的框图组成

3．气压位置伺服系统的工作过程
气压伺服系统是以气体作为工作介质，通过组成气压伺服系统的管路、控制元件和执行元件(气缸、气压马达)，实现能量传输、能量调节和能量转换，达到对一个过程或者一个单体施行控制作用。
气压位置伺服系统是由伺服控制器、执行器(阀)、位移传感器、气缸四个部分组成的，气缸和位移传感器是通过外部连接机构连在一起，当气缸运动时位移传感器的滑块跟着移动，气缸活塞的运动距离也就是位移传感器的滑块的移动距离，位移传感器检测到的移动距离反馈给伺服控制器，伺服控制器将位移传感器检测到的信息与我们给定的设定数值进行比较，然后输出不同的模拟量信号，控制阀门，改变阀芯的位移量，也就是改变了气缸进排气的流量，从而实现气缸的加速、匀速、减速和停止。
4．气压位置伺服控制装置的硬件设计
4．1 气压控制阀
高速开关阀是一种数字式控制阀，与伺服阀相比，具有结构简单、价格低廉、抗污染能力强、响应快速和工作可靠等优点。它只有开和关2种极限工作状态，容易实现数字计算机控制和气、液技术的有机结合。高速开关阀采用脉冲流量控制方式，直接根据一系列脉冲信号进行开关，在阀出口输出一系列相应的脉冲流，脉冲流的时间平均值即为控制流量。流体脉冲的形成和调节方法有多种，这里选用PWM方法对系统进行控制。
4．2 高速开关阀的响应特性
高速开关阀对系统的影响主要表现在其启、闭死区特性的影响。对于理想的开关阀，驱动电压波形与阀芯位移应相同，而对于实际应用的高速开关阀由于受阀芯惯性、摩擦和线圈的影响，阀芯响应不会随时跟上电压信号的变化。
本实验系统利用高速开关阀的脉宽调制PWM方法进行动态响应控制，其响应特性图如图4.1所示。为调制周期，为在一个调制周期内阀为开的时间。在时间内，是阀打开的滞后时间，则是阀的开启时间；为阀关闭滞后时间，为阀芯从开始关闭到全闭时的时间，即结束信号响应时间，则为阀关闭时间。
滞后时间主要是由于摩擦和阀芯的惯性等因素产生的。滞后时间越小，则系统的动态响应特性越好。另外，由于阀控制线圈是一个感性负载，其电流增加有一个过程，只有当电流值达到一定数值时，作用在阀芯上的力才能推动阀芯产生运动。同时，阀芯从开始运动到运动结束也需要一定的时间，因而滞后现象将很难避免，从而产生零位死区和饱和现象。

图4.1 高速开关阀的响应曲线

4．3 驱动电路与传感器
脉宽调制控制信号必须经过放大，才能驱动高速开关阀。由三极管等通用的元气件完成控制信号的放大功能，具有寿命长、开关响应速度快等优点，能够满足系统的实时控制。
在控制系统中采用直线光栅位移传感器，分辨率为，能够满足系统测量精度要求。
5．试验结果与分析
采用PID控制和PID+模糊复合控制两种控制算法对这个系统进行控制。
采用PID控制时，阶跃信号输入和正弦信号输入的情况下的响应曲线分别如图5.1和图5.2。

图5.1 PID控制阶跃响应曲线

图5.2 PID控制正弦响应曲线

PID+模糊复合控制时，阶跃信号输入和正弦信号输入的情况下的响应曲线分别如图5.3和图5.4。

图5.3 PID+模糊复合控制阶跃响应曲线

图5.4 PID+模糊复合控制正弦响应曲线

通过对所得到的响应曲线比较，虽然在阶跃信号输入情况下的响应曲线差别不是很大，但从正弦信号输入情况下，PID+模糊复合控制可以提高系统的控制品质。

6．研究总结与展望
气动技术由于空气介质易获取、污染小、易存储、传输快等优点，适用于易燃、易爆、强辐射和多粉尘等恶劣环境。但是，又因为气体介质的压缩性、低粘性，使得系统的定位精度和定位刚度、低速特性和频响都难以进一步提高，系统的固有频率和阻尼比都比较低，稳定性大受影响，非线性严重，因此应用也受限制。
本次实验采用PID控制和PID+模糊复合控制这两种控制方式，用PWM波来实现对负载的位置控制。对负载的位置检测系统和电磁阀的驱动作了比较系统的研究。这里，我们实现了位置信号的信号采集、PID+模糊复合控制和PID控制，PWM波程序，以及电磁阀的驱动电路。从系统的控制结果来看，基本上实现了本次课题设计的预期目的。
在本次实验过程中，仍然存在一些问题尚未解决。从实验结果上看，在正弦信号输入情况下的响应曲线，在波峰和波谷处存在失真现象。实验中我们采用增量式PID算法，不过这里我们默认=0，对实验性能产生一些影响。
由于毕业设计时间有限，无法把所有的可能性都考虑周全，希望在今后的学习和研究中进一步改善，提高气压位置伺服装置的控制精度。
参考文献
[1] 徐秀芬，赵克定，刘敏，许宏光．气液联控位置伺服系统及其试验研究[J]．机床与液压，2005，(4)：53-55．
[2] 许宏，陶国良．变阻尼气压比例伺服系统理论分析及其低速特性的实验研究[J]．中国机械工程，2002，13 (15)：1281-1284．
[3] 邱志成，谈大龙，王宣银，刘庆和．气压伺服及气液连动控制发展概况综述[J]．机床与液压，1999，4：3-6．
[3] 杨庆俊，王祖温，路建萍．基于反馈线性化的气压伺服系统非线性H∞控制[J]．南京理工大学学报，2002，26 (1)：52-56．
[4] 陶国良，王宣银，杨华勇．气动比例/伺服位置控制系统的摩擦力特性研究[J]．液压气动与密封，2001，2：9-12．
[5] 徐秀芬，赵克定，王洪艳．气液联控力伺服系统的控制性能及仿真研究[J]．机床与液压，2006，6：97-100．
[6] 徐秀芬，赵克定，袁立鹏．气液联控伺服系统的工作性能分析及试验研究][J]．西安交通大学学报，2005，39 (3)：266-269．
[7] 许宏，赵克定，吴盛林，宋经华．一种新型气压伺服系统的动力机构特性分析[J]．南京航空航天大学学报，2000，32 (5)：527-532．
[8] 徐秀芬，赵克定，柴国荣．一种新型气压位置伺服系统设计及模糊控制研究[J]．大庆石油学院学报，2004，28 (3)：71-73．
[9] 张黎军，王颖，李烽口．实用光栅编码器接口电路[J]．传感器世界，2002：24-26．
[10] 孔晓武．高速开光阀动态性能试验装置及其应用研究[J]．机电工程，2005，22 (8)：38-39．
[11] 黄勇．基于EPM7128的光栅位移测量仪设计[J]．电子工程师，2007，33 (8)：22-24．
[12] 王宣银．气动位置伺服系统PID控制的研究[J]．机床与液压，2001，2：49．
[13] 王雪松，程玉虎，易建强．电-气位置伺服控制系统的研究进展[J]．控制与策略，2007，22 (6)：601-606．
[14] 王祖温，詹长书，杨庆俊，李军，包钢．气压伺服系统高性能鲁棒控制器的设计[J]．机械工程学报，2005，41 (11)：15-19．
[15] 袁希光．传感器技术手册[M]．国防工业出版社，1986．749-764．
[16] 王士元．C高级实用程序设计[M]．清华大学出版社，1996．167-193，241-291．
[17] J.L.Shearer. Nonlinear Analog Study of High Pressure Pneumatic Servo Mechanism[J].American Society of Mechanical Engineer,1957,(3):143-148.
[18] Wang J.et al. Modelling Study Analysis and Robust Servo Control of Pneumatic Cylinder Actuator Systems[J].IEE Proceedings on Control Theroy andApplications,2001.
[19] XUE Yang,PENG Guangzheng,FAN Meng,WU Qinghe. New Asymmetric Fuzzy PID Control for Pneumatic Position Control System[J].Journal of Beijing Institute of Technology,2004,13 (1):29-33.
[20] LI Yin2ya,SHENG An2dong,WANG Yuan2gang. Design of PID Controllers of Anti-aircraft Artillery Servo System with Multiple Performance Specifications[J]. JOURNAL OF CHINA ORDNANCE,2007,3 (3):185-190.
[21] Xiang Gao,Zheng-Jin Feng. Design study of an adaptive Fuzzy-PD controller for pneumaticservo system[J].Control Engineering Practice 2005,13:55–65.