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气压伺服系统由于气体的可压缩性和低粘性,导致气压伺服系统固有频率低、阻尼比小、定位精度和定位刚度低、低速性能差,使得气压伺服技术的应用受到限制。
气液联控伺服系统正是基于克服或者补偿气体介质的根本缺点,将可压缩性小、粘度较大的液体介质引入到常规气压伺服系统中,并进行控制而构成的一种新型的气、液介质复合控制系统。
论文首先综述了近年来气压伺服系统的研究和发展状况,同时对相关控制理论的发展历史及现状进行了较全面的回顾。
考虑到气液联控伺服系统的成本和控制的可能性,确定采用气液高速开关阀作为系统的控制阀,应用脉宽调制(PWM,PulseWidthModulation)方法进行控制。论文介绍了高速开关阀的开关过程和阀的驱动方式。介绍了目前最常用的流体脉冲控制方法—脉宽调制的机理,推导出了PWM控制下阀的平均流量公式。介绍了PWM信号的软件生成方法。对高速开关阀的开关特性进行了分析,在此基础上介绍了减小高速开关阀死区的多种驱动方式。
论文基于易于进行分析的对称结构的高速开关阀控气缸,建立了气压伺服系统动力机构的数学模型,分析了其主要性能参数。
论文详细说明了气液联控伺服系统的原理、结构和控制特点。建立了气液联控伺服系统的状态方程,建立了动力机构的数学模型。定性分析了气液联控伺服系统的固有频率、阻尼比以及速度增益与液压部分参数的关系,并进行了相关的计算机仿真计算。从理论上得出了气液联控伺服系统高精度、高刚度的理论依据。
论文介绍了常用的PID计算机控制算法,并在此基础上介绍了积分分离PID、带死区的PID控制算法。介绍了基于单神经元的自适应控制和基于单神经元的PID控制算法。着重介绍了模糊控制原理,说明了模糊控制器的基本结构和模糊控制器设计的基本方法。对常规气压伺服系统和气液联控伺服系统进行了模糊控制器的设计。对于气体开关式气液联控伺服系统,提出了死区-PID控制方法。对于气液并联控制气液联控伺服系统,提出了自适应模糊控制方法。
本文根据气液联控伺服系统的状态方程,应用PID、单神经元自适应和模糊控制,对常规气压伺服系统和液体固定阻尼式气液联控伺服系统进行了典型信号跟踪控制性能的计算机仿真,仿真结果与实验结果较接近。
论文最后设计制造了气液联控伺服系统实验台,设计了完整的的实验方案。编制了整套计算机控制软件。