作动筒性能测试装置——气动比例位置控制系统的研究

摘要

气动系统具有结构简单、性价比高、工作可靠、无污染等优点，被广泛的应用于工业自动化领域。但由于气动定位技术发展缓慢，气动位置控制系统在工业领域的推广与应用受到了一定程度的限制。传统的点位控制气动系统只能在两个机械调定位置实现定位，并且其运动只能靠单向节流阀单一调定，控制精度和工作性能难以达到理想的效果。气动比例技术突破了传统的气动定位方法，使气动位置控制从逻辑控制领域扩展到比例/伺服控制领域。以比例控制阀为核心组成的气动比例控制系统，能够非常方便地实现气缸压力、流量连续变化的高精度控制，多点的无级调速以及任意点的精确定位。但由于气动比例位置控制系统固有的一些缺点，如阀的非线性、气体的可压缩性以及气缸摩擦力特性等等，它本质上是一个非线性系统，这就在很大程度上增加了系统的控制难度，常规控制系统的性能和精度很难满足自动化设备柔性生产的要求。
　　 作动筒性能测试装置中空气负载模拟机构若采用传统的点位控制气动系统，会导致初始容腔的调整过程过于繁琐，而且定位精度也会受到影响。本课题采用以比例方向阀为核心组成的气动比例位置控制系统，获得了良好的定位精度，实现了测试装置中空气负载模拟机构初始容腔的快速精确调整。
　　 本文针对气动比例位置控制系统的非线性特征，推导出系统的数学模型，并对系统控制策略进行了研究。
　　 首先，文中综述了气动比例系统的特点及发展现状，针对作动筒性能测试实验的要求设计了空气负载模拟机构的气动比例位置控制系统，在深入分析控制系统的工作性能及特点的基础上，运用气体动力学、热力学定律以及牛顿第二定理，通过一些合理而必要的假设和线性化，推导出被控对象的数学模型。
　　 其次，探讨了气动比例位置控制领域中控制策略的研究与应用，根据气动比例系统的非线性特征，研究了模糊PID控制器。将模糊控制和PID控制两者结合起来，应用模糊推理算法，根据输入误差量、误差变化量实现PID控制器参数的在线自整定，使系统动态过程中各阶段的PID参数处于最佳状态，最终获得理想的控制效果。
　　 最后，应用MATLAB/Simulink设计气动比例位置控制系统模糊PID控制器，并进行仿真分析。
　　 仿真结果表明，同传统PID控制相比，基于模糊推理算法的模糊PID控制器可以使气动比例位置控制系统具有良好的控制效果，满足了作动筒性能测试装置中空气负载模拟机构的定位精度要求。

目录

文摘

英文文摘

论文说明：图表目录

声明

第1章 绪 论

1.1课题研究背景

1.2气动比例系统的特点及其发展现状

1.2.1气动比例系统的特点

1.2.2气动比例系统的发展与现状

1.3课题的主要研究内容

第2章 气动比例位置控制系统的体系组成

2.1前言

2.2系统硬件组成及原理

2.2.1气缸

2.2.2电磁比例阀

2.2.3位移传感器

2.2.4数据采集卡

2.2.5稳压气源和其它主要附件

2.2.6控制系统的构成

2.3本章小结

第3章 气动比例位置系统数学模型的推导

3.1前言

3.2气动比例位置控制系统数学模型的推导

3.2.1气缸活塞力平衡方程

3.2.2比例阀的流量连续性方程

3.2.3比例阀的阀口流量方程

3.2.4气动比例系统摩擦力特性分析

3.2.5阀控缸系统方块图及开环传递函数

3.2.6比例阀的数学模型推导

3.2.8气动比例位置控制系统数学模型

3.2.9本系统各元件参数及具体模型函数

3.3本章小结

第4章 气动比例系统位置控制策略研究

4.1引言

4.2气动控制策略概述

4.3气动比例位置系统PID控制研究

4.3.1 PID控制原理

4.3.2 PID控制算法

4.3.3 PID控制器参数的整定

4.3气动比例位置系统模糊PID控制研究

4.3.1模糊控制器

4.3.2气动比例位置控制系统模糊PID控制器设计

4.4本章小结

第5章 气动比例系统位置控制系统的仿真研究

5.1前言

5.2 MATLAB／Simulink的介绍

5.3基于常规PID控制的仿真分析

5.4基于模糊PID控制的仿真分析

5.4.1建立模糊推理系统

5.4.2模糊PID控制器仿真系统设计

5.4.3基于模糊PID控制系统仿真分析

5.5本章小结

总结与展望

参考文献

致 谢

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