第4章气动比例／伺服控制技术及应用

1、-作者xxxx-日期xxxx第4章 气动比例伺服控制技术及应用【精品文档】第4章 气动比例伺服控制技术及应用随着电子、材料、控制理论及传感器等科学技术的发展，气动比例伺服控制技术得到了快速提高。以比例伺服控制阀为核心组成的气动比例伺服控制系统可实现压力、流量连续变化的高精度控制，能够满足自动化设备的柔性生产要求。气动控制系统与油压控制系统相比，最大的不同点在于空气与油压的压缩性和粘性的不同。空气的压缩性大、粘性小，有利于构成柔软型驱动机构和实现高速运动。相反，压缩性大会带来压力响应的滞后；粘性小意味着系统阻尼小或衰减不足，易引起系统响应的振动。另外，由于阻尼小，系统的增益系数不可能高，系统的稳

2、定性易受外部干扰和系统参数变化的影响，难于实现高精度控制。过去人们一直认为气动控制系统只能用于气缸行程两端的开关控制，难于满足对位置或力连续可调的高精度控制要求。但是，随着新型的气动比例伺服控制阀的开发和现代控制理论的导入，气动比例伺服控制系统的控制性能得到了极大的提高。再加上气动系统所具有的轻量、价廉、抗电磁干扰和过载保护能力等优点，气动比例伺服控制系统越来越受到设计者的重视，其应用领域正在不断地扩大。4.1 气动比例伺服控制阀比例控制阀与伺服控制阀的区别并不明显，但比例控制阀消耗的电流大、响应慢、精度低、价廉和抗污染能力强；而伺服阀则相反。再者，比例控制阀适用于开环控制，而伺服控制阀则适用

3、于闭环控制。由于比例伺服控制阀正处于不断地开发和完善中，新类型较多。4.1.1 比例控制阀气动比例控制阀能够通过控制输入信号(电压或电流)，实现对输出信号(压力或流量)的连续成比例控制。按输出信号的不同，可分为比例压力阀和比例流量阀两大类。其中比例压力阀按所使用的电控驱动装置的不同，又有喷咀挡板型和比例电磁铁型之分。其分类如图4-1所示。图4-1 气动比例控制阀的类型1 比例压力阀（1）喷咀挡板型。喷咀挡板型比例压力阀的主阀结构和工作原理与先导式减压阀相似，都是调整、控制二次输出压力。所不同的是前者用电控调压装置来代替后者的手动调压装置，即用先导压力来代替调压弹簧。具体来讲，就是利用电控驱动装

4、置来调节挡板与喷咀之问的距离，改变作用在膜片上腔的背压，使主阀芯在新的位置上达到平衡，从而得到一个与输入信号成比例的输出压力。按档板驱动机构的不同又有力马达驱动型和压电晶片驱动型之分。力马达主要由定磁铁和动线圈构成，由动线圈输出直线位移。在力马达驱动型比例阀中，把动线圈与挡板直接相连。靠动线圈中产生的与输入信号成比例的力，来推动挡板移动。力矩马达驱动型的特点：小电流(20mA)，不需专用的控制器。精度为±1.5FS，响应速度为0.6s。适用于中等控制精度和响应速度的应用场合。压电晶片驱动型是利用压电晶片输出的位移能随着控制电压而变化的特性，把压电晶片与挡板直接相连。并内藏二次压检测传

5、感器，构成二次压的局部负反馈控制。压电晶片驱动型的特点：由于在内部采用了压力负反馈控制方式，控制精度(±0.5FS)、滞环小，但响应速度慢(1.5s)。适用于高控制精度要求的应用场合。（2）比例电磁铁型把比例电磁铁作为电控驱动装置，其主阀结构与普通电磁换向阀相似。所不同的是作用在阀芯上的力，阀芯一端的作用力为比例电磁铁的吸力F1，另一端为二次压力F2。依靠两力的差来推动阀芯移动，从而调整二次压力值，直到达到设定值。其动作原理如图3所示。在图4-2中， 当F1 <F2时，A口与R口接通向外排气，降低二次压力；当F1>F2时，P口与A妇接通供气，提高二次压力；当F1=F2，即

6、二次压力达到设定值时，控制开口关闭。其特点为： 由于是直动式，响应速度快(0.10.2s)，但控制精度低(±1.52.5FS)；比例线圈所需的驱动电流大(0.8lA)，再者为了提高精度，需向阀芯施加颤振信号，故需专用的控制器，由各生产厂家提供，适用于高响应速度，中等精度要求的应用场合。图4-3为比例电磁铁型压力比例阀的电流一压力特性。图4-2 比例电磁铁型比例压力阀的动作原理图4-3 比例电磁铁型压力比例阀的电流一压力特性气控比例压力阀是一种比例元件，阀的输出压力与信号压力成比例，图4-4为比例压力阀的结构原理。当有输入信号压力时，膜片6变形，推动硬芯使主阀芯2向下运动，打开主阀口，

7、气源压力经过主阀芯节流后形成输出压力。膜片5起反馈作用，并使输出压力信号与信号压力之间保持比例。当输出压力小于信号压力时，膜片组向下运动。使主阀口开大，输出压力增大。当输出压力大于信号压力时，膜片6向上运动，溢流阀芯3开启，多余的气体排至大气。调节针阀7的作用是使输出压力的一部分加到信号压力腔形成正反馈，增加阀的工作稳定性。图4-4 气控比例压力阀1 弹簧2阀芯3溢流阀芯4阀座5输出压力膜片8控制压力膜片 7调节针阀图4-5所示为喷嘴挡板式电控比例压力阀。它由动圈式比例电磁铁、喷嘴档板放大器、气控比例压力阀三部分组成，比例电磁铁由永久磁铁l0、线圈9和片簧8构成。 当电流输入时，线圈9带动档板

8、7产生微量位移，改变其与喷嘴6之间的距离，使喷嘴6的背压改变。膜片组4为比例压力阀的信号膜片及输出压力反馈膜片。背压的变化通过膜片4控制阀芯2的位置，从而控制输出压力。喷嘴6的压缩空气由气源节流阀5供给。 图4-5 电控比例压力阀 1弹簧 2阀芯 3溢流口 4膜片组 5节流阀 6喷嘴 7挡板 8簧片 9 线圈 10磁铁2 比例流量阀比例流量阀是通过控制比例电磁铁线圈中的电流来改变阀芯的开度(有效断面积)，实现对输出流量的连续成比例控制。其外观和结构与压力型相似。所不同的是压力型的阀芯具自调压特性，靠二次压力与比例电磁力相平衡，来调节二次压力的大小；而流量型的阀芯具有节流特性，靠弹簧力与比例电磁

9、力相平衡，来凋节流量的大小和流通方向 按通数的不同，比例流量阀叉有二通与=通之分。其动作原理如图4-6所示。在图4-6中，依靠 与F2的平衡，来改变阀芯的开口面积和位置。随着输入电流的变化，三通阀的阀芯按 的顺序移动， 二通阀的阀芯刚按 的顺序移动。比例流量阀主要应用于气缸或气马达的位置或速度控制。图4-6 比例电磁铁型比例流量阀的动作原理4.1.2 伺服控制阀气动伺服阀的工作原理与气动比例阀类似，它也是通过改变输入信号来对输出信号的参数进行连续、成比例的控制。与电液比例控制阀相比，除了在结构上有差异外，主要在于伺服阀具有很高的动态响应和静态性能。但其价格较贵，使用维护较为困难。气动伺服阀的控

10、制信号均为电信号，故又称电一气伺服阀。是一种将电信号转换成气压信号的电气转换装置。它是电一气伺服系统中的核心部件。图4-7为力反馈式电一气伺服阀结构原理图。其中第一级气压放大器为喷嘴挡板阀，由力矩马达控制，第二级气压放大器为滑阀。阀芯位移通过反馈杆5转换成机械力矩反馈到力矩马达上。其工作原理为：当有一电流输入力矩马达控制线圈时，力矩马达产生电磁力矩，使挡板偏离中位（假设其向左偏转），反馈杆变形。这时两个喷嘴档板阀的喷嘴前腔产生压力差（左腔高于右腔），在此压力差的作用下，滑阀移动（向右），反馈杆端点随着一起移动，反馈杆进一步变形，变形产生的力矩与力矩马达的电磁力矩相平衡，使挡板停留在某个与控制电

11、流相对应的偏转角上。反馈杆的进一步变形使挡板被部分拉回中位，反馈杆端点对阀芯的反作用力与阀芯两端的气动力相平衡，使阀芯停留在与控制电流相对应的位移上。这样，伺服阀就输出一个对应的流量，达到了用电流控制流量的目的。 图4-7 电-气伺服阀1节流口 2过滤器 3气室 4补偿弹簧 5反馈杆 6喷嘴 7挡板 8线圈 9支持弹簧 10导磁体 11磁铁MPYE型气动伺服阀是FESTO 公司于开发的一种直动式气动伺服阀，其结构如图4-8所示。主要由力马达、阀芯位移检测传感器、控制电路、主阀等构成。阀芯由力马达直接驱动，其位移由传感器检测，形成阀芯位移的局部负反馈，从而提高了响应速度和控制精度。图4-8 MP

12、YE型气动伺服罔结构图该阀为三位五通，O型中位机能。电源电压为DC24V，输入电压为010V。在图4-9的输入电压对应着不同的阀芯开口面积和位置，也即不同的流量和流动方向。电压为5V时，阀芯出于中位；05V时，P口与A口相通；510V时，P口与B口相通。突然停电时，结构上使阀芯返回到中位，气缸原位停止，提高了系统的安全性。该阀具有良好的静、动态特性，如表4-1所示。图4-9 输入电压一输出流量的特性曲线 (MPYE型伺服阀，FESTO公司生产)表4-1 MPYE型气动伺服阀的主要性能指标4.1.3 气动数字控制阀脉宽调制气动伺服控制是数字式伺服控制，采用的控制阀大多为开关式气动电磁阀，称脉宽调

13、制伺服阀，也称气动数字阀。脉宽调制伺服阀用在气动伺服控制系统中，实现信号的转换和放大作用。常用的脉宽调制伺服阀的结构有四通滑阀型和三通球阀型。图4-10为滑阀式脉宽调制伺服阀原理。滑阀两端各有一个电磁铁，脉冲信号电流轮流加在两个电磁铁上，控制阀芯按脉冲信号的频率作往复运动。图4-10 气动数字阀（脉宽调制伺服阀）1电磁铁 2衔铁 3阀体 4阀芯 5反馈弹簧开关电磁阀型比例压力阀如图4-11所示。其电控调压装置由进、排气高速开关电磁阀、二次压检测传感器和控制电路构成。当有输入信号时，进气电磁阀打开，排气电磁阀关闭，向主阀先导腔供气，主阀芯下移，输出二次压力。同时二次压力值由压力传感器检测，并反馈

14、到控制电路。控制电路以输入信号与输出二改压的偏差为基础，用PWM 控制方式驱动进、排气电磁阀，实现对先导腔压力的调节 直到偏差为零，进、排气电磁阀均关闭，主阀芯在新的位置上达到平衡，从而得到一个与输入信号成比例的输出压力，其特点为：仅当电磁阀动作时才消耗压缩空气，耗气量小、耐振动、对空气质量要求低 精度为±11.5FS，响应速度为0.20.5s。适用于中等控制精度和响应速度的应用场合。图4-11 开关电磁阀型比例压力阀的动作原理4.1.4 新型驱动方法及电-气比例伺服控制阀的发展随着新材料的出现及其应用，驱动方法也发生了巨大的变化，从传统机械驱动机构到电控驱动机构，电一气比例伺服控制

15、阀的研究成为电气技术的热点。新型驱动机构都有着共同点：位移控制精密、控制方便、驱动负载能力强等 。1 压电驱动压电驱动是利用压电晶体的逆压电效应形成驱动能力，可以构成各种结构的精密驱动器件。压电晶体产生的位移与输入信号有较好的线性关系，控制方便，产生的力大，带负载能力强，频响高，功耗低，将它作为驱动元件取代传统的电磁线圈来构造气动比例伺服阀，使比例伺服阀微小型化，这将给电子控制智能和气动系统的集成提供全新的发展空间。压电驱动技术可以利用双晶片的弯曲特性(如图4-12a、b所示)，制作成各种开关阀、减压阀，也可以利用压电叠堆直接推动阀芯(如图4-12c所示)构造成直动式或带位移放大机构的比例伺服

16、阀，实现对输出信号(流量或压力)的高精度控制。图4-12 压电驱动构造气动阀示意图2 超磁致伸缩驱动器超磁致伸缩材料是一种新型的电(磁)一机械能转换材料，具有在室温下应变量大、能量密度高、响应速度快等特性，国外已应用于伺服阀、比例阀和微型泵等流体控制元件中。超磁致伸缩材料具有独特的性能：在室温下的应变值很大(1500×102000×10-6)，是镍的4050倍，是压电陶瓷的58倍；能量密度高(1400025000Jm)，是镍的400500倍，是压电陶瓷的1014倍；机电耦合系数大；响应速度快(达到s级)；输出力大，可达220880N。由于超磁致伸缩材料的上述优良性能，因而在

17、许多领域尤其是在执行器中的应用前景良好。超磁致伸缩执行器结构简单、输出位移大、输出力大、带负载能力强、易实现微型化、并可采用无线控制。如图8所示的超磁致伸缩执行器，主要采用棒状超磁致伸缩合金直接驱动执行器件，不采用放大机构。由于超磁致伸缩材料的抗压强度远远大于其抗拉强度，因此采用预压弹簧使其在一定的压力下工作。图中两块永久磁铁用来提供一定的偏磁场，使超磁致伸缩棒在特定的线性范围内工作。图4-13 超磁致伸缩驱动器示意图利用图4-13所示结构的驱动器直接推动阀芯移动，可实现输入信号与输出信号的比例关系；也可以利用这种结构的驱动器做成各种减压阀或开关阀。4.2 气动比例伺服控制系统4.2.1 比例

18、伺服控制系统的基本构成比例控制阀加上电子控制技术组成的比例控制系统，可满足各种各样的控制要求。比例控制系统基本构成如图4-14所示。图中的执行元件可以是气缸或气马达、容器和喷嘴等将空气的压力能转化为机械能的元件。比例控制阀作为系统的电一气压转换的接口元件，实现对执行元件供给气压能量的控制。控制器作为人机的接口，起着向比例控制阀发出控制量指令的作用。它可以是单片机、微机及专用控制器等。比例控制阀的精度较高，一般为±0.52.5FS。即使不用各种传感器构成负反馈系统，也能得到十分理想的控制效果，但不能抑制被控对象参数变化和外部干扰带来的影响。对于控制精度要求更高的应用场合，必需使用各种传

19、感器构成负反馈，来进一步提高系统的控制精度，如图4-14中虚线部分所示。图4-14 比例控制系统的基本构成图4-15 FESTO伺服控制系统的组成对于MPYE型伺服阀，在使用中可用微机作为控制器，通过DA转换器直接驱动。可使用标准气缸和位置传感器来组成价廉的伺服控制系统。但对于控制性能要求较高的自动化设备，宜使用厂家提供的伺服控制系统（如图4-15所示），它包括MPYE型伺服阀、位置传感器内藏气缸、SPC型控制器。在图4-15中，目标值以程序或模拟量的方式输入控制器中，由控制器向伺服阀发出控制信号，实现对气缸的运动控制。气缸的位移由位置传感器检测，并反馈到控制器。控制器以气缸位移反馈量为为基础

20、，计算出速度、加速度反馈量。再根据运行条件(负载质量、缸径、行程及伺服阀尺寸等)，自动计算出控制信号的最优值，并作用于伺服控制阀，从而实现闭环控制。控制器与微机相连接后，使用厂家提供的系统管理软件，可实现程序管理、条件设定、远距离操作、动特性分析等多项功能。控制器也可与可编程控器相连接，从而实现与其他系统的顺序动作、多轴运行等功能。4.2.2 比例伺服控制阀的选择主要根据被控对象的类型和应用场合来选择比例阀的类型。被控对象的类型不同，对控制精度、响应速度、流量等性能指标要求也不同。控制精度和响应速度是一对茅盾，两者不可同时兼顾。对于已定的控制系统，以最重要的性能指标为依据，来确定比例阀的类型。

21、然后再考虑设备的运行环境，如污染、振动、安装空间及安装姿态等方面的要求，最终选择出合适类型的比例阀。表4-2给出了不同应用场合下，比例阀优先选用的类。表4-2 不同应用场合下比例阀优先选用的类型MPYE型伺服阀最早只有G18(700Lmin )一个尺寸， 目前已发展到M5(100Lmin) G38(2000Lmin)有5个规格。主要根据执行元件所需的流量来确定阀的规格，选择起来较简单。4.2.3 控制理论气动比例伺服控制系统的性能虽然依赖于执行元件、比例伺服阀等系统构成要素的性能但为了更好地发挥系统构成要素的作用，控制器的控制量的计算又是至关重要的。控制器通常以输入值与输出值的偏差为基础，通过

22、选择适当的控制算法可以设计出不受被控对象参数变化和干扰影响，具有较强鲁棒性的控制系统。控制理论被分为古典控制理论和现代控制理论两大类。P1D控制是古典控制理论的中心，它具有简单、实用易掌握等特点，在气动控制技术中得到了广泛地应用。P1D控制器设计的难点是比例、积分及微分增益系数的确定。台适的增益系数的获得，需经过大量实验，工作量很大。另一方面，P1D控制不适用于控制对象参数经常变化、外部有干扰、大滞后系统等场合。在此情况下，一是使用神经网络与PID控制并行组成控制器，利用神经网络的学习功能，在线调整增益系数，抑制因参数变化等对系统稳定性造成的影响。二是使用各种现代控制理论，如自适应控制、最优控

23、制、鲁棒控制、H控制及控制等来设计控制器，构成具有鞍强鲁棒性的控制系统。目前应用现代控制理论来控制气缸的位置或力的研究相当活跃，并取得了一定的研究成果。4.2.4 典型应用1 张力控制带材或板材(纸张、胶片、电线、金属薄板等)的卷绕机，在卷绕过程中，为了保证产品的质量，要求卷筒张力保持一定。由于气动制动器具有价廉、维修简单、制动力矩范围变更方便等特点，所以在各种卷绕机中得到了广泛的应用。图4-16为采用比例压力阀组成的张力控制系统图。在图10中，高速运动的带材的张力由张力传感器检测，并反馈到控制器。控制器以张力反馈值与输人值的偏差为基础，采用一定的控制算法，输出控制量到比例压力阀。从而调整气动

24、制动器的制动压力，以保证带材的张力恒定。在张力控制中，控制精度比响应速度要求高，建议选用控制精度较高的喷嘴档板型比例压力阀。图4-16 用比例压力阀组成的张力控制系统图2 加压控制图4-17为比例压力阀在磨床加压控制中的应用例子。在该应用场合下，控制精度比响应速度要求高，所以应选用控制精度较高的喷咀档板型或开关电磁阀型比例压力阀。应该注意的是，加压控制的精度不仅取决于比倒压力阀的精度气缸的摩擦阻力特性影响也很大。标准气缸的摩擦阻力要随着工作压力、运动速度等因素变化，难于实现平稳加压控制。所以在此应用场合下，建议选用低速、恒摩擦阻力气缸。系统中减压阈的作用是向气缸有杆腔加一恒压，以平衡活塞杆和夹

25、具机构的自重。3 位置和力的控制（1）控制方法采用电气伺服控制系统能方便地实现多点无级柔性定位(由于气体的可压缩性，能实现柔性定位)和无级调速；比例伺服控制技术的发展以及新型气动元件的出现，能大幅降低工序节拍，提高生产效率。伺服气动系统实现了气动系统输出物理量(压力或流量)的连续控制，主要用于气动驱动机构的启动和制动、速度控制、力控制(如机械手的抓取力控制)和精确定位。通常气动伺服定位系统主要由气动比例伺服控制阀、执行元件(气缸或马达)、传感器(位移传感器或力传感器)及控制器等组成，如图4-18所示。图4-17 磨床加压机构气动系统的构成图4-18 伺服定位控制系统气动伺服定位系统的定位精度、

26、动态特性主要取决于控制器算法和控制参数，控制器在系统中占有重要地位。控制器包括反馈控制电路和控制方法，应根据系统性能要求选择相应的控制策略。PID控制是古典控制理论的中心，在气动控制技术中得到广泛应用。其设计难点在于获得适当的比例、积分、增益系数，这些参数的获得需要大量实验，工作量大；PID控制不适于控制对象参数经常变化、外部干扰、大滞后系统等场合，需要利用现代控制技术，如采用神经网络与PID控制技术相结合，在线调整系统增益系数，抑制参数变化对系统性能带来的影响；也可以采用自适应控制方法、最优控制方法、鲁棒控制等设计控制器。（2）汽车方向盘疲劳试验机气动比例伺服控制系统非常适合应用于像汽车部件

27、、橡胶制品、轴承及键盘等产品的中、小型疲劳试验机中。图4-19为气动伺服控制系统在汽车方向盘疲劳试验机中的应用例子。该试验机主要由被试体(方向盘)、伺服控制阀、伺服控制器、位移和负荷传感器及计算机等构成。要求向方向盘的轴向、径向和螺旋方向，单独或复台(两轴同时)地施加正弦波变化的负荷，然后检测其寿命。该试验机的特点是：a精度和简单性兼顾。b在两轴同时加载时，不易形成相互干涉。（3）挤牛奶机器人在日本ORION公司开发的自动挤牛奶机器人中，挤奶头装置的X、Y、Z、三轴方向的移动，是靠FESID伺服控制系统驱动的。XYZ轴选用的气缸(带位移传感器)尺寸分别为40×l000、50X

28、5;300和2×500，对应的MPYE系列伺服阀分别为GI4、G18和G18。伺服控制器为SPC100型。以奶牛的屁股和横腹作为定位基准，XYZ轴在气动伺服控制系统的驱动下，挤奶头装置向奶牛乳头部定位。把位移传感器的绝对0点定为0V，满量程定为10V。利用SPC100的模拟量输人控制功能，只要控制输人电压值，即可实现轴的位置的控制。利用该功能不仅能控制轴的位置，电可实现轴的速度控制。即在系统的响应频率范围内，可按照输入电压波形(台形波、正弦波等)的变化，来驱动轴运动。图4-19 汽车方向盘疲劳试验机气动伺服控制系统在该应用例子中，定位对象是活生生的奶牛。奶牛在任何时刻有踢腿、晃动的可

29、能。由于气动控制系统所特有的柔软性，能顺应奶牛的这种随机动作，而不会使奶牛受到任何损伤。在这种场合下，气动控制系的长处得到了最大地发挥。 气动比例伺服控制元件及系统应用实例4.3.1 直动式电反馈高压电气比例减压阀国外的电气比例减压阀产品多为先导式结构，由于先导阀多用比例电磁铁或高速开关阀进行控制，结构均较为复杂，且先导阀耗气量较大。新型的直动式电反馈高压电气比例减压阀结构简单、无先导耗气量、调压范围宽、调压精度高。1结构原理直动式电反馈高压电气比例减压阀，由比例电磁铁、阀体、阀芯、端盖、弹簧、压力传感器、比例放大器等组成，其结构原理如图4-20所示。该阀阀芯采用双边矩形零开口形式的滑阀型结构

30、，具有结构简单、阀口面积增益为线性等特点。该阀在端盖上开有一凹槽，使弹簧腔始终通大气。利用调节螺钉，可调节弹簧的预压缩量，进而可调节阀芯处于工作位置时与比例电磁铁推力相平衡的弹簧压紧力。图4-20 直动式电反馈高压电气比例减压阀结构原理该阀输出腔A的压力由压力传感器检测并反馈给比例放大器，经与输入给定信号比较后，由比例放大器产生控制信号给比例电磁铁，形成模拟式闭环控制。当控制信号较小、比例电磁铁的推力F1小于弹簧的预压力F0时(F0=Kx0，K为弹簧的刚度，x0为预压缩量)，此时阀的P腔与A腔不通, A腔与T腔相通，阀处于放气状态；当控制信号增加，比例电磁铁的推力达到弹簧的压紧力F2时(F2=

31、 K(x0+x1)， x1为阀芯处于零位时弹簧的位移量)，阀处于零位工作状态。当控制信号增大,比例电磁铁的推力F1大于弹簧的压紧力F2时，阀A腔与T腔封闭，P腔与A腔相通，A腔压力增高。此时阀输出腔A的压力通过压力传感器将压力信号反馈给比例放大器。经过比较后，比例放大器的输出减小，比例电磁铁的推力F1减小，阀芯右移,阀口减小，A腔压力也随之降低。由于电反馈的作用，A腔压力能始终保持恒定，实现了A腔压力与输入给定信号成比例的变化关系，反之亦然。2实验与性能指标实验系统组成如图4-21所示。它包括由计算机、12位PLC711S数据采集卡、比例放大器、电气比例减压阀组成的数字式电气比例减压阀调节系统

32、和由排气节流阀等组成的负载模拟单元构成。该系统中，压力传感器检测阀的输出压力并反馈给计算机，计算机作为控制器，进行比较和控制运算后，输出控制信号给比例放大器，控制电气比例减压阀的输出压力。数据采集卡用来实现控制器与比例放大器、控制器与电气比例减压阀的压力传感器之间的数模和模数转换。图4-21 实验系统图4-22为该阀的静态输入控制特性曲线。最大输入压力为1. 7MPa,输出压力范围为01. 6MPa。实验结果表明，该阀具有较宽的调节范围和良好的静态特性。图4-22 阀静态输入控制特性曲线图4-23为该阀的动态阶跃输出压力响应曲线。实验条件：阀出口负载容腔容积V=0.4L，工作介质为压缩空气。从

33、图中可以看出，超调量Mp=4.9%，调整时间ts=120ms，实验结果表明，该阀具有较好的动态特性。图4-23 阀动态阶跃输出压力响应曲线以下是该阀的具体技术指标：公称通径 4mm最大输入压力 1. 7MPa输出压力范围 01. 6MPa额定流量 350L/min电源电压 24VDC输入电压 15V动态响应时间 120ms线性度 ±2%F. S滞环 1%F. S.工作温度 550直动式电反馈高压电气比例减压阀调压范围宽、调压精度高，具有良好的静、动态特性，其性能指标可满足一般工程系统的要求。该阀是气动系统与电气系统的接口元件，便于与计算机相连，形成数字式电气比例控制系统，实现工程系统

34、的自动控制。4.3.2 智能控制在气动比例位置系统中的应用由于气体的可压缩性、气缸的摩擦力、气控回路的饱和现象、伺服阀的阀口叠量及其泄漏以及系统的滞环和偏差等原因，气动系统本质上属于非线性系统，其中，气缸的摩擦特性对气动伺服定位系统的性能影响较大。气动伺服系统的定位精度、动态特性主要取决于控制器算法和控制参数。理论和实验研究证明，在控制器算法上采用状态反馈原理可以获得令人满意的控制效果，但是状态反馈控制器的参数必须是最优的，其反馈增益应能够根据用户信息优化，在控制器中集成自优化、自学习及自适应等智能。对于系统描述的理论推导是基于控制对象的线性化后的线性模型并在一定的假设下进行的。因此，一个实际

35、应用的系统可能会出现的许多现象尚未考虑在内。实验表明，一个实际的气动伺服系统的模型要远比线性模型复杂，尤其是在选用标准气缸的情况下相当的非线性系统可用一个线性子系统及内含一个无记忆的非线性增益的Hanmmrstein模型来表示。本例在线性化分析的基础建立数学模型并引入随机干扰信号模拟系统的随机干扰，采用Hanmmrstein模型模拟系统的非线性本质，对气动位置比例系统进行了智能控制仿真研究。l 实验系统的组成和原理实验系统主要由气缸、信号发生器、比例阀、位移传感器、MD、DA转换装置和计算机控制六个部分组成，如图4-24所示。其中，气缸采用FESTO公司DGPL-25-500-PPV-A -G

36、F -B型无杆气缸，位移传感器为MID-POT-500-TLF型，比例阀采用FESTO公司的MPYE-5-18-010B型电气比例方向阀A/D、DA转换由ADLINK公司ACL-8112DG型数据采集板完成。该系统的基本原理是通过计算机控制软件，电一气比例控制阀，气缸的调节作用，使输入电压信号与气缸位移反馈信号之差减小并趋于零。从而实现气缸位移对输入信号的跟踪。图4-24 实验系统组成示意图2 智能控制具体实现系统采用二输入单输出模糊控制器与常规PID并联控制。大偏差范围内采用Fuzzy控制，在小偏差范围转换成PID控制，两者的转换由微机程序根据事先给定的偏差范围自动实现。当输出值与设定值之差

37、处于零值论域时，由于模糊控制器在偏差落在零值论域时不稳定，会产生稳态误差和自振荡，所以此时切换为常规模糊控制器控制。模糊控制器采用基于遗传算法的神经模糊网络（如图4- 15所示），模糊系统采用Takagi，Sugeno和Kang首先提出的TSK模型，即输出以输入变量的显函数形式表式。形成一种从输入、输出数据集合中系统地产生模糊规则的新方法。对于双输入单输出系统，TSK模糊模型为：IF is ， is ，THEN ，其中j =1，2，m，m一模糊规则数量，为每一输入模糊变量的分档数。系统输入为，一偏差， 一偏差变化，若输入量采用单点模糊集合的模糊化方法，则对于给定的输入系统输出量为：为第j条规则

38、的输出，j对应输入向量的第j条规则的适应度。3 模糊控制系统控制原理及仿真网络的第一层负责将输入信号模糊化，得到信号的隶属度，取隶属函数为高斯函数 。网络的第二层把模糊化的结果相乘，实际得到的是每条模糊推理规则的可信度。网络的第三层计算规则的归一化可信度。，。网络的第四层计算每条规则的输出：i=1，2，3，4网络的第五层计算总的输出，它是各条规则输出的累加。 (如图2所示)，利用遗传算法对神经网络模糊控制器(NFN)的参数进行优化，该网络每个输入分为两个模糊子集，所以模糊化模块共有l2个参数。输出解模糊模块共有4条规则，有4×3=12个参数，由于事先没有知识，这24个参数的取值无法确

39、定，需要进行学习。为了使学习算法于被控对象无关具有通用性，采用了变长混合编码的遗传算法，把这24个参数当做24个基因，组成了一条染色体进行寻优。遗传算法中符合度函数F取为：F=1/ (1+E)，式中E为与控制目标的误差，可取为：图4- 25 模糊智能控制原理图式中，一实际输出值， 一期望输出值对系统进行线性化分析后，可得到阀控缸的传递函数为：， 式中为系统固有频率，为气动阻尼比； 为速度放大系数。在本实验系统中，气源压力为0.8MPa，负载200N，气缸行程500mm，活塞直径25mm，求得 =8.5，=40，= 0.26。取采样周期为T=0.2 s，对系统离散化后可得离散系统模型。智能控制仿

40、真框图如图4-26所示，图中我们用非线性增益及线性化后的阀控缸模型组成的Hammerstein模型近似气动系统的非线性性，Hammerstein模型中的非线性增益用一个P阶多项式来近似： 系数及阶次p可适当加以选择，以便使增益符合给定的无记忆非线性增益。本实验中取p=2，=0.5，=0.5，考虑到气动系统的非线性本质及干扰的存在，在仿真时加了个小幅白噪声信号，模拟系统的非线性特性。分别采用单纯的PID控制，模糊控制(采用初始模糊控制器)及基于遗传算法的神经模糊网络控制器，对无杆气缸进行仿真，其对正弦信号的跟踪如图所示。图4-27为PID控制响应曲线，图4-28为模糊控制响应曲线，图4-29为基

41、于遗传算法的神经模糊网络控制响应曲线。在采用基于遗传算法的神经模糊网络控制的情况下，增大死区特性为15时，同样得到了较好的仿真结果，如图4-30所示。对阶跃信号的响应见图4-31。图4-26 智能控制仿真框图 图4-27 PID控制响应曲线， 图4-28 模糊控制响应曲线图4-29基于遗传算法的神经模糊网络 图4-30基于遗传算法的神经模糊网络增大控制响应曲线 死区特性为15时控制响应曲线图4-31 阶跃响应仿真曲线由仿真结果可看出，仿真曲线与理想曲线吻合较好。智能控制算法的控制效果较为满意。4.3.3 基于C8051F脉宽调制(PWM)的气动比例调压阀1总体结构该系统(气动比例调压阀)由先导

42、式调压阀、两位三通高速开关阀、气动压力传感器(MOTORO-LA公司的MPX5700)、控制电路、LCD (SMSO424)显示和电源模块组成，如图4-32所示。该系统的硬件控制电路是以Silicon Laboratories公司的C8051F020单片机为核心，包括压力传感器信号放大、串口通讯、键盘控制、高速开关阀驱动、程序下载以及三端稳压等模块。系统上电后，通过键盘输入压力值，启动系统。当系统检测到调压阀出口压力值低于设定压力值时进气电磁阀打开，向调压阀先导腔供气，输出压力增加。同时系统将压力传感器检测到的出口压力反馈给控制电路，重新得出输出压力值与设定压力值的偏差，计算出控制量U。将其作

43、为单片机PID控制的输入，输出PWM信号经75452反相驱动器放大驱动进、排气电磁阀对先导腔进行压力调节，直到主阀芯在新的位置上达到平衡，得到一个与输入成比例的输出压力。其工作流程如图4-33所示。图4-32系统组成图图4-33 工作流程图2系统控制（1）控制策略由于空气的压缩性大、粘性小会带来压力响应滞后、容易引起系统响应振动等。因此对气体进行压力控制具有明显的非线性、不确定性,难于建立精确的数学模型。PID控制作为一种常用的控制算法，其最大的特点在于鲁棒性强，不必建立精确的数学模型。但PID控制的比例、积分及微分增益系数难于确定,需经过大量实验，工作量大。而PID归一参数整定法是一种简易的

44、整定法：U(KT)=Kp2.45e(KT)-3.5e(KT-T)+1.25e(KT-2T)由上式可以看出，对3个参数整定转化为对1个参数Kp整定，使问题明显简化，控制效果显著。控制算法流程图，如图4-34所示。图4-34PID控制算法流程图（2）控制方式该系统是采用PWM信号控制进、排气高速开关电磁阀的占空比，实现对出口压力的调节。PWM(PulseW idthModulation)控制方式的原理如图4-35所示。图4-35(a)中r(t)为控制信号，将该信号与载波信号c(t)进行比较，如果在某时刻r(t)的值大于载波信号c(t)的值，则使高速开关阀开启，否则阀闭合，从而得到一系列如图4-35

45、(b)所示的控制指令。将这些控制指令作用到高速开关阀上，在每一个循环时间Ts内，有Ton的时间阀的通路被打开，有流量Q通过，其余时间高速开关阀关闭，无流量通过。时间Ton与Ts之比称为脉冲宽度调制率(占空比)，记为d,即d=Ton/Ts。由于高速开关阀工作的载波信号周期可以调得很小，如0.050.1s。因此，可用平均流量表示这一时间内的输出流量。平均流量可表示为：式中：p为阀口压差；C为阀口流量系数； A为阀开口面积。图4-35PWM控制原理图图4-36流量与占空比关系图由上式可以看出通过阀体的流量与占空比成线性关系(图4-36)，控制占空比就可以控制通过阀体的流量。此所控制系统正是要利用高速

46、开关阀调制信号的占空比流量特性来实现对其进行控制，从而达到调节流量的目的。（3）软件控制系统的软件控制是采用模块化设计，由系统初始化程序、键盘管理程序、LCD显示程序、数据采集处理程序、PID控制程序、PWM控制程序、定时器中断程序、串口通信程序等模块组成。采用模块化编程极大地方便了调试和优化，其流程图如图4-37、4-38所示。图4-37主函数流程图3技术要点在控制电路上每个高速开关电磁阀的两端都应反向并联一个二极管，用来防止突然断电时，电磁阀线圈产生的反向电动势对其它电子器件造成损害。系统在实验前要进行压力传感器的标定，确定气体压力与传感器信号放大电路输出电压之间的对应关系。在实验系统中，

47、对压力传感器的标定采用最小二乘法，在逼近意义上使用：i=Yi-(b+kXi)，实验结果表明，在额定压力(00.7MPa)范围内，出口压力与传感器信号放大电路输出的电压呈线性关系。ADC采样应连续多次采样(如10次)，进行滑动平均滤波，以避免系统因外界干扰带来的振荡。图4-38ADC0初始化及采样转换流程图4测试结果及结论基于PWM气动比例调压阀的控制流量不宜太大，适合小流量。成本低，抗污染能力强。采用PID控制作为PWM气动调压阀的控制策略，取得了良好的控制效果。实验证明，气动比例调压阀既能产生连续可调的压力，又能够保证输出压力的稳定,具有良好的控制性能及实用性。4.3.4 高精度气动机械手及

48、应用气动机械手是集机械、电气、气动和控制于一体的典型机电一体化产品。近年来，机械手在自动化领域中，特别是在有毒、放射、易燃、易爆等恶劣环境内，与电动和液压驱动的机械手相比，显示出独特的优越性得到了越来越广泛的应用。一种四自由度(不包括夹取自由度)气动机械手，应用于高危物质试验的场合，机械手的使用安全性要求相当高；该机械手主传动部分采用某公司的新型无杆气缸，带制动器及行程可读出传感器，定位精度相当高；该机械手设计结构紧凑，而且改变了一般机械手的受力为悬臂梁的特点，使得机械手臂负载进一步加强；其PLC控制系统既可保证气动机械手单独自动工作，也可由使用人员手动操作，且为网络操作预留了接口，可以实现远

49、程控制。1 结构气动机械手的结构示意图如图4-39所示。1支架2轴位移传感器3轴无杆气缸4Y轴无杆气缸 5Y轴位移传感器6轴位移传感器7轴双作用气缸 8手指夹紧气缸9、回转气缸10工作台图4-39 机械手结构示意图机械手手臂包括轴气缸，Y轴气缸和Z轴气缸，3个气缸可以实现三自由度下任意坐标移动。其中，轴气缸和Y轴气缸为某公司的新型机械式无杆气缸，带制动器及行程可读出传感器，此一设计方案满足了试验台空间限制的要求。Z轴气缸为带制动器和导向的双作用气缸，且带有位移传感器。手腕部的回转气缸选用小型叶片摆动马达，可使手腕在1800范围内转动。手指具有3种不同的结构：平行夹持式、支点回转夹持式和真空吸盘

50、式。手指根据不同的使用情况可以自由更换。2 气动原理因为气体具有很大的可压缩性，要做到气动机械手精确定位难度很大，尤其是难以实现任意位置的多点定位。传统气动系统只能靠机械定位装置的调定位置而实现可靠定位，并且其运动速度只能靠单向节流阀单一调定，经常无法满足许多设备的自动控制要求，这在很大程度上限制了气动机械手的使用范围。随着工业自动化技术的发展，电一气比例和伺服控制系统，特别是定位系统得到了广泛的应用。应用电一气伺服定位系统可以非常方便地实现多点无级定位(柔性定位)和无级调速，而且可以方便地实现气缸的运动速度连续可调，从而达到最佳的速度和缓冲效果，大幅度降低气缸的动作时间和冲击。与电机驱动的伺

51、服定位系统相比，气动伺服定位系统具有价格低廉、结构简单、抗环境污染及干扰性强等优点。气动机械手的主传动部分控制采用某成套气动伺服定位系统，其原理如图4-40所示。气动伺服定位系统由气动伺服阀、位移传感器(无杆气缸中附带，数字量输出)、驱动装置(ML2B系列无杆气缸)及位置控制器(CEU2型)等4部分组成，可实现任意点的柔性定位和无级调速，定位精度可达±0.1mm。CEU2型位置控制器可实现反馈控制参数计算和优化。只需输入最基本的单元尺寸和运行数据(气缸行程、缸径、负载重量和气源压力等)，即可完成定位系统的调试。机械手X轴、Y轴和Z轴3个主传动中设置了静磁栅位移传感器(无杆气缸自带)，

52、如图4-40所示。静磁栅位移传感器由“静磁栅源”和“静磁栅尺”两部分组成。“静磁栅源”沿“静磁栅尺”轴线作无接触相对运动时，由“静磁栅尺”解析出位移信息，经转化后产生最小0.1mm脉冲的位移量数字信号。数字信号无需转换直接传递给位移控制器，由位移控制器控制气动伺服阀实现机械手各坐标气缸的精确定位运动。图4-40 气动伺服定位系统简图机械手总体气动系统原理图如图4-41所示。气源经三联件处理后，通过相应的电磁换向阀进入各个气动执行元件。此系统中，选用了集装式电磁换向阀，所有电磁换向阀由汇流板集装在一起，以减少占用空间。1X轴无杆气缸2Y轴无杆气缸3Z轴双作用气缸4叶片式摆动马达5气源三联件6支点

53、式手指7平行式手指8真空发生器组件图4-41 机械手气动原理图3 电气控制及其程序编制图4-42 机械手电气原理简图机械手电气控制系统主要由PLC(三菱Fx30MR型)1台、PC机(内置RS232C接口)1台、RS232通信板(FXlN一232一BD型)1块、位置控制器(CEU2型)3台等部件构成。可以实现两种控制方式：由使用者操作手动控制面板人工控制；通过PLC的RS232C接口，使用PC机实现远程控制。其电气原理图如图4-42所示。其中手动控制能实现各类动作，其精度不是很高；PC机能实现精确定位运动，而且能对运动精度进行判断和控制。机械手控制程序包括PLC控制程序和PC机控制程序两部分。其

54、中PLC程序采用梯形图法编程，PC机客户端程序采用VB编程。其主程序流程简图如图4-43所示。客户端程序作为主程序，将几种方式下使用的程序集成到一起，形成一个整体程序，通过主控指令和跳转指令来运行不同方式下的程序，并可通过增加各类压力传感器的方式来实现对工作部件气压的实时监控。如果用户要求，可以修改主程序中相应程序来优化机器手动作和实现各类复杂的动作。图4-43 主程序流程图4 特点用气动伺服定位系统实现多点无级定位(柔性定位)和无级调速，是一种实现空间任意位置多点精确定位的简单、有效的方法。新型带位移传感器及制动装置的无杆气缸使机械手机构紧凑，不需采用缓冲和另外定位装置，受力情况也有较大改善

55、。PC机在气动机械手控制中起主导作用，机械手可以方便地实现远程控制的精确运动。客户可方便地更改端程序，为机械手功能的扩充创造了条件。系统抗干扰性强，IO接口简单，现场编程和修改参数方便。4.3.5 机间输送机气动伺服定位系统1 控制系统的组成图4-44为机间输送机控制系统的原理图。该系统由计算机系统，DA 、AD、伺服阀、气缸、位移传感器等环节组成。图4-44 控制系统组成原理图2 气缸的选取气缸伺服控制系统的执行部件绝大多数是无杆气缸和双出杆气缸，在此情况下气缸两腔的压力作用面积是一致的，因此活塞在两个方向上的运动特性完全一致。气缸的摩擦力对气动伺服定位系统的性能有着极大的影响，特别是当气缸

56、在低速运动或小步长运动时，这是因为当气缸从静止到开始动作时其摩擦力将突然下降。从控制理论上分析，这一现象将产生一个正反馈，从而引起系统不稳定(爬行)。但是，作为工业应用的伺服定位系统必须能够支持使用标准气缸。系统选取模块化的两端接气口的无杆气缸(见图4-45)。故选取某公司的DGP-40基本驱动单元，缸径为40 mm ，行程1000 mm 。图4-45 无活塞杆的双作用气缸2 气缸的运动力学方程：式中 气缸活塞的位移， 负载总质量(包括气缸可动部件)，kg、 分别气缸腔室A、B内的压力，动摩擦系数，N·ms库仑摩擦力，NF 气缸的轴向负载，N优化控制理论设计步骤是：(1)对以上线性方程线性化，求得气缸的位移 、速度主和加速度 线性方程。(2)根据气动伺服定位系统的闭环极点配置原理求出最佳状态反馈增益。最佳反馈增益仅仅取决于基本的系统数据，如气缸的缸径和行程、伺服阀的通经、负载重量和工作压力高低等。3 伺服阀的选取气动伺服阀的功能