基于自適應(yīng)控制的氣動(dòng)伺服系統(tǒng)研究①

范昭君

摘? ?要：本文針對(duì)氣動(dòng)伺服系統(tǒng)平臺(tái)設(shè)計(jì)控制器，首先介紹了控制器的基本組成和工作原理，從輸出反饋?zhàn)赃m應(yīng)控制器理論設(shè)計(jì)到仿真，再到算法的程序?qū)崿F(xiàn)，最終實(shí)現(xiàn)了對(duì)實(shí)際的氣動(dòng)伺服系統(tǒng)的控制。從實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以看出，在存在系統(tǒng)不確定因素及所給系統(tǒng)參考參數(shù)不準(zhǔn)確等因素的條件下，輸出反饋?zhàn)赃m應(yīng)控制基本上取得較好的控制和跟蹤效果。

關(guān)鍵詞：氣動(dòng)伺服系統(tǒng)? VB? 輸出反饋?zhàn)赃m應(yīng)控制? 跟蹤

中圖分類號(hào)：TH13? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文章編號(hào)：1674-098X（2019）05（b）-0060-03

氣動(dòng)伺服技術(shù)的應(yīng)用很廣泛，尤其是在機(jī)械系統(tǒng)中要求具有可編程的功能控制領(lǐng)域，以及沒有機(jī)械變送裝置的線性運(yùn)動(dòng)控制領(lǐng)域。農(nóng)業(yè)、材料加工業(yè)、包裝業(yè)、機(jī)器人、材料加工等領(lǐng)域都有用到氣動(dòng)伺服技術(shù)。該技術(shù)按照不同的轉(zhuǎn)換元件可以分為兩類：第一類是電—?dú)獗壤欧到y(tǒng)，第二類為電—?dú)忾_關(guān)伺服系統(tǒng)[1]。本文采用的氣動(dòng)比例伺服系統(tǒng)，雖然價(jià)格昂貴，但是其控制精度高、響應(yīng)速度快，具有很高的研究意義。

1? 氣動(dòng)伺服系統(tǒng)構(gòu)成及工作原理

1.1 氣動(dòng)伺服系統(tǒng)的組成

氣動(dòng)伺服系統(tǒng)是由氣缸、氣動(dòng)伺服閥、負(fù)載、位置檢測(cè)部分和計(jì)算機(jī)組成的[1]，實(shí)物圖如圖1所示。

1.2 氣動(dòng)伺服系統(tǒng)的工作原理

氣源的主要功能是提供壓縮空氣，壓縮空氣通過比例閥的控制進(jìn)入一側(cè)氣缸，使一側(cè)氣缸的壓力高于或等于另一側(cè)，從而使負(fù)載在活塞的帶動(dòng)下完成要求的運(yùn)動(dòng)或保持靜止?fàn)顟B(tài)[1，2]。氣動(dòng)伺服系統(tǒng)的工作原理圖如圖2所示。

2? 輸出反饋?zhàn)赃m應(yīng)控制器設(shè)計(jì)

氣動(dòng)位置伺服系統(tǒng)的被控對(duì)象，可近似成典型的四通閥控對(duì)稱氣動(dòng)缸[3]。氣動(dòng)伺服系統(tǒng)如果以比例閥輸入為整個(gè)系統(tǒng)的輸入，以滑塊位置為系統(tǒng)的輸出。

為了獲得良好的響應(yīng)品質(zhì)，選擇以ITAE準(zhǔn)則? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? （）為最小時(shí)的階躍零穩(wěn)態(tài)誤差系統(tǒng)閉環(huán)傳遞函數(shù)作為數(shù)學(xué)模型。在仿真中以

=8作為參考，結(jié)合所給原系統(tǒng)參考參數(shù)，最終選取系數(shù)不含小數(shù)的近似理想的參考模型為

所給系統(tǒng)屬于高相對(duì)階的輸出反饋?zhàn)赃m應(yīng)控制，選取控制規(guī)律為

其中：，取自適應(yīng)規(guī)律為

其中，（即以作為輸入通過參考模型獲得的信號(hào)），，其中：

3? 程序

3.1 VB程序

該實(shí)驗(yàn)中的采樣時(shí)間設(shè)計(jì)為100ms，采用VB調(diào)用WINDOWS中斷來實(shí)現(xiàn)精確定時(shí)。調(diào)用廠家所提供的板卡驅(qū)動(dòng)程序的頭文件和庫(kù)文件來初始化硬件設(shè)備，通過調(diào)用D/A和A/D控制器的API函數(shù)將數(shù)據(jù)進(jìn)行輸入和采集。

API接口程序調(diào)用連接硬件設(shè)備：

DeviceID = 0 ' 當(dāng)前被操作的PCI設(shè)備只有一個(gè)

hDevice = PCI2306_CreateDevice（DeviceID） '創(chuàng)建設(shè)備對(duì)象

A/D采樣：

NumBack = PCI2306_ReadDevOneAD（hDevice， AdchanneL）

其中AdchanneL為A/D轉(zhuǎn)換的通道，NumBack為返回的A/D采樣值。

D/A輸出：

PCI2306_WriteDeviceProDA hDevice， Uo， DAChannel

其中DAChannel為輸出通道選擇，Uo為輸出數(shù)據(jù)。

3.2 參考模型離散化程序

利用matlab對(duì)參考模型進(jìn)行離散化，求出差分方程。代碼如下：

t=0.1;

sys=tf（512，[1 14 137.6 512]）;

dsys=c2d（sys，t，zoh）

求得輸入輸出間的的差分方程為：

y（k）-1.433y（k-1）+0.9258y（k-2）-0.2466y（k-3）=0.058292r（k-1）+0.15882r（k-2）+0.02889r（k-3）? ? ? （4）

VB中積分運(yùn)算是用導(dǎo)數(shù)乘以采樣時(shí)間來實(shí)現(xiàn)的，并將自適應(yīng)率作為外部可調(diào)參數(shù)。

4? 仿真結(jié)果

系統(tǒng)的零點(diǎn)為2207，本文給出不同類型的信號(hào)來測(cè)試系統(tǒng)。在仿真中輸入信號(hào)rin為紅色線，參考模型輸出ym為黑色線，對(duì)象輸出y為藍(lán)色線，控制量u為綠色線。

圖3和圖4表明在存在系統(tǒng)不確定因素及所給系統(tǒng)參考參數(shù)不準(zhǔn)確等因素的條件下，輸入選為階躍信號(hào)或者是正弦信號(hào)，輸出反饋?zhàn)赃m應(yīng)控制都取得了較好的控制和跟蹤效果。

5? 結(jié)語

本次氣動(dòng)伺服系統(tǒng)控制器設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)，從控制器理論設(shè)計(jì)到仿真，再到算法的程序?qū)崿F(xiàn)，最終實(shí)現(xiàn)了對(duì)實(shí)際的氣動(dòng)伺服系統(tǒng)的控制。從仿真結(jié)果可以看出，在存在系統(tǒng)不確定因素及所給系統(tǒng)參考參數(shù)不準(zhǔn)確等因素的條件下，輸出反饋?zhàn)赃m應(yīng)控制基本上取得較好的控制和跟蹤效果。總結(jié)跟蹤出現(xiàn)誤差的原因主要包括兩點(diǎn)：（1）氣缸的零點(diǎn)確定不是很精確，也會(huì)影響采得的數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性，從而影響辨識(shí)結(jié)果。（2）受到所給參數(shù)模型的準(zhǔn)確性及其所采集數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性，系統(tǒng)的不定因素，非線性，氣壓的穩(wěn)定性，滑塊的摩擦阻力等影響。

參考文獻(xiàn)

[1] 林遂芳，郭會(huì)軍，李強(qiáng)，等.基于LabVIEW的氣動(dòng)比例伺服系統(tǒng)模型辨識(shí)研究[J].實(shí)驗(yàn)技術(shù)與管理，2009，26（6）：76-79.

[2] 胡學(xué)武.用觀測(cè)器在位置系統(tǒng)閉環(huán)內(nèi)實(shí)現(xiàn)狀態(tài)反饋控制[J].蘇州大學(xué)學(xué)報(bào)：工科版，2005（3）：36-40.

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[4] 王波.電阻點(diǎn)焊氣動(dòng)伺服系統(tǒng)力/位置復(fù)合控制關(guān)鍵技術(shù)研究[D].北京理工大學(xué)，2015.