基于比例阀控普通缸的柔性定位气动机械手的研制

摘要

气动系统具有环保，成本低，结构简单，易于操作等优点，近年来在工业领域得到了广泛的应用。现在，随着电-气比例／伺服控制技术的出现，气动系统已经从以前的逻辑控制领域扩展到了伺服控制领域。对气动伺服控制系统的研究，也已从起初对任意点定位控制技术的研究发展到了对连续轨迹跟踪控制的研究。
　　 本课题的主要研究对象为单杆双作用普通气缸。根据其特点设计高性能的控制器对其进行任意点定位和连续轨迹跟踪控制的研究，在此基础上实现基于比例阀控普通缸的柔性定位气动机械手的研制。主要研究内容如下：
　　 首先，搭建了系统的硬件实验平台。对系统的特性和工作原理进行了详细分析，在此基础上建立了系统的数学模型，模型表明该系统是一个高阶非线性系统。为此本文对模型进行了简化，得到了一个三阶数学模型。稳定性是控制系统的基本要求之一，本文运用MATLAB控制工具箱对系统进行了稳定性分析，分析结果表明该系统是不稳定的。
　　 其次，依据经典控制理论和智能控制理论，为系统设计了PID控制器，并用MATLAB模糊控制工具箱建立了系统跟踪阶跃、方波和正弦信号的模糊控制器。同时，鉴于图形化编程语言的快捷性和方便性，本文采用Labview和Matlab混合编程的方法编写控制软件。分别对阶跃信号、方波信号和正弦信号的系统响应进行了PID控制的实验研究和模糊控制的实验研究，发现了PID控制器在该非线性系统中的不足并对其进行了改进。但从总体上看，误差仍很大并且系统的稳定性很差。对系统的模糊控制进行了大量的实验。实验结果表明，该模糊控制器很好地解决了阶跃响应的爬行振荡和方波响应的不稳定性等问题，提高了正弦跟踪响应的精度，并在一定频率范围内都得到了较高精度的正弦信号跟踪响应，增强了系统的适应能力。因此，本文提出的模糊控制方法是稳定和有效的。
　　 然后，应用气压传动原理，设计一个完成刀具抓取、运输和换刀的气动机械手。并将PID控制算法和模糊控制算法应用到气动换刀机械手，实现了机械手在水平方向的柔性定位。从而实现了本课题的研究目标，为气动换刀机械手的应用做好了准备。
　　 最后，对本论文的研究工作进行了总结，对存在的一些缺点和不足之处提出了进一步研究工作的设想和展望。

目录

文摘

英文文摘

第一章 绪论

1.1 气动技术的特点及发展状况

1.2 气动伺服控制技术的发展与现状

1.2.1 电-气开关伺服控制系统

1.2.2 电-气比例控制系统

1.3 气动机器人（机械手）的研究现状

1.4 课题的研究目的和意义

1.4.1 课题的研究目的

1.4.2 课题的研究意义

1.5 论文的主要研究工作

第二章 比例阀控缸气动伺服系统的原理及组成

2.1 前言

2.2 比例阀控缸气动伺服系统的工作原理

2.3 比例阀控缸气动伺服系统的组成

2.3.1 气源及气体处理元件

2.3.2 气缸

2.3.3 比例方向控制阀

2.3.4 位移传感器

2.3.5 I/O卡

2.3.6 计算机

2.4 本章小结

第三章 比例阀控缸气动伺服系统的理论研究

3.1 前言

3.2 比例阀控缸气动伺服系统数学模型的建立

3.2.1 气缸两腔的流量特性分析

3.2.2 气缸两腔的压力微分方程

3.2.3 比例阀压力-流量方程

3.2.4 气缸活塞力平衡方程

3.2.5 气动动力结构的数学模型

3.2.6 比例阀电压平衡方程

3.2.7 比例阀控缸气动伺服系统的总模型

3.3 比例阀控缸气动伺服系统的稳定性分析

3.3.1 系统的特征根稳定性判定

3.3.2 系统的Bode稳定性判定

3.4 本章小结

第四章 比例阀控缸气动伺服系统的控制策略研究

4.1 PID控制器原理及设计

4.1.1 PID控制原理

4.1.2 数字PID控制算法

4.2 模糊控制器原理及设计

4.2.1 模糊控制的发展

4.2.2 模糊控制原理

4.2.3 基于MATLAB模糊工具箱建立模糊控制器

4.2.4 基于MATLAB语言建立模糊控制器

4.3 本章小结

第五章 比例阀控缸气动伺服系统的实验研究

5.1 气动伺服系统的控制系统软件编程思想

5.2 Labview环境下数据采集的实现

5.3 比例阀控缸气动伺服系统的PID控制实验研究

5.3.1 数字PID控制系统的参数整定方法

5.3.2 系统的数字PID控制实验及分析

5.4 比例阀控缸气动伺服系统的模糊控制实验研究

5.4.1 阶跃信号的模糊控制实验及分析

5.4.2 方波信号的模糊控制实验及分析

5.4.3 正弦信号的模糊控制实验及分析

5.5 本章小结

第六章 柔性定位气动机械手

6.1 气动机械手总体方案

6.1.1 气动机械手的功能

6.1.2 机械手的坐标形式和自由度

6.1.3 机械手的工作过程及工步时间分配

6.2 气动机械手的机械系统组成

6.2.1 气动机械手执行机构

6.2.2 气动机械手驱动系统

6.3 柔性定位气动机械手的实现

6.4 本章小结

第七章 结论与展望

7.1 总结

7.2 展望

参考文献

附录1 气动伺服控制系统传递函数零极点MATLAB程序

附录2 气动伺服控制系统传递函数Bode图MATLAB程序

附录3 系统跟踪阶跃信号的模糊控制器m文件

附录4 系统跟踪方波信号的模糊控制器m文件

附录5 系统跟踪正弦信号的模糊控制器m文件

致谢

攻读硕士学位期间发表的学术论文