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气动技术由风动技术和液压技术演变而来,其动力介质采用的是空气,由于其环保,低能源消耗,结构简单,使用寿命长,价格低廉等优点,越来越受到人们的重视,在各种生产中应用越趋广泛。然而由于气体的可压缩性,气体的摩擦力,比例阀的非线性等固有因素的影响,导致了气动控制系统的非线性,从一定程度上影响了气动系统的精度及稳定性,人们也一直在努力寻求各种方法来弥补这些缺陷。目前,从控制方法、气动元件的改进等方面来实现最佳的控制状态是人们提高气动系统性能的主要途径。论文以气动伺服控制系统为研究对象,采用仿真技术手段研究其控制策略和方法,共有六章,具体如下:
第一章主要介绍选题背景,气动技术的产生、发展,气动控制技术的发展和国内外研究的状况,简述气动伺服控制系统的组成,介绍了气动伺服控制系统中常用的控制策略和方法。
第二章以比例阀控气动系统为研究对象,分别从其动力系统和控制方法两方面对总的气动伺服控制系统进行理论分析。首先建立气动伺服控制系统的数学模型,包括比例阀、气缸等,将气动伺服控制系统由非线性转换为线性,再分析气动伺服控制系统的稳定性。采用乃奎斯特稳定性判据和波特图法对系统进行仿真分析,从理论上判断该系统是否稳定。最后由仿真结果得出结论:气动伺服控制系统闭环系统稳定。这为进一步地分析、设计气动伺服控制系统提供了理论依据。
第三章介绍了在气动伺服控制系统中常用的控制策略。目前应用于气动伺服控制系统中的控制方法主要有传统控制方法,现代控制方法和智能控制方法。传统控制方法以PID控制为代表,PID控制的理论发展最早、技术最成熟、经验最丰富。传统PID控制是在气动伺服控制系统中应用最多的控制方法。智能控制是近代才发展起来的一门新的控制方法,结合计算机技术、传感技术等,能达到较好的控制效果,然而其实现起来要比传统PID控制复杂。因此,目前在气动伺服控制系统中的应用不及PID控制普遍。目前应用于气动伺服控制系统中的主要为传统控制与智能控制的结合产生的模糊PID控制,很好地弥补了目前PID控制不灵活的缺点,它采用模糊控制语言,气动伺服控制系统能够根据条件的改变自动地调整参数。模糊PID控制加强了传统PID控制的优势,弥补了其缺陷,而且结合计算机编程技术,控制算法容易实现。因此,在对气动伺服控制系统性能要求较高的场合中应用较多。同时,研究了传统PID控制的原理,PID参数整定的方法,模糊控制技术及模糊PID控制原理。
第四章采用MATLAB/GUI设计气动伺服控制仿真系统。该系统主要包括系统参数设置,系统仿真、系统分析、系统调试四个模块。系统参数设置模块能够直接设置系统的参数,计算系统的传递函数和调整系统。系统仿真模块对系统进行仿真分析,得出系统的各项参数,判断其稳定性,直接通过点击进行操作,均不需要进行数学计算。在系统调试模块中,可以调整PID参数,并绘出实时的仿真结果,直接判断PID参数是否合理。同时设计模糊控制器,完成模糊PID控制的仿真,并仿真对比分析传统PID控制与模糊PID控制,得出结论模糊PID减小了系统误差,提高了气动伺服控制系统的性能。
采用AMESim仿真软件对气动伺服控制系统进行仿真方便快捷,减小了在数学建模过程中,对比例阀,气缸等的简化模型而产生的误差,更加直观的反映出气源压力、负载等对控制系统的影响。
第五章进行实验研究验证仿真是否正确以及对实验室设备提出改进。采用德国FESTO公司提供的比例阀、气缸、智能控制器SPC200等构成FESTO实验平台进行实验分析,通过实验采集的数据与仿真的结果对比分析,从实验中验证仿真的正确性。分析SPC200工作原理。该系统的软件仅能在一台计算机上使用。为了使资源得到充分的利用,提出对系统的上位机软件进行改进,使气动伺服控制系统能够更加灵活的应用和实现更多的功能。
第六章简述论文的主要结论以及展望论文需要进一步深入的内容。