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基于气动比例控制的平面柔性平台的研究

作　者: 魏晓兵
导　师: 陈冰冰
学　校: 东华大学
专　业: 机械电子工程
关键词: 气动比例位置系统数学模型平面柔性控制增量式PID控制模糊控制
分类号: TH138
类　型: 硕士论文
年　份: 2011年
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内容摘要

气动系统由于其环保,成本低,结构简单,易于操作等优点,在工业自动化领域的得到了越来越广泛的应用。随着电-气比例／伺服控制技术的出现,使得气动系统的高精度控制成为了可能。但气动系统本身由于空气的可压缩性、气缸的摩擦力以及比例阀的非线性等特性,在很大程度上增加了气动比例控制系统的控制难度。本课题在对比例方向阀和单个单杆双作用气缸组成的气动比例系统进行特性分析的基础上,通过对控制策略的理论研究和仿真,实现平面内二自由度双缸的柔性控制。首先,通过对系统特性和工作原理的详细分析,建立阀控缸系统的非线性数学模型,并依据假设条件等,对其实行一定的简化。在此基础上,对气动比例控制系统进行控制策略研究。在本文中,最终确认使用增量式PID控制和模糊自适应PID控制。模糊PID控制应用模糊推理的方法,能够实现PID参数Kp、Ki和Kd取值的实时变化,使系统在动态过程中各阶段的PID参数均处于最佳状态,以获得满意的控制效果。其次,应用Matlab/Simulink的仿真功能对各种控制器进行仿真研究,并对仿真结果进行分析比较。仿真结果表明,相比传统的PID控制,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等问题,提高了正弦跟踪响应的精度,增强了系统的适应能力。同时,利用Labview和Matlab的混合编程,建立平面柔性控制的控制平台,并对系统进行实时控制。最后,对本论文的研究工作进行了总结,对于存在的一些缺点和不足提出了进一步研究工作的设想和展望。

全文目录

摘要  5-7
ABSTRACT  7-11
第一章绪论  11-17
  1.1 引言  11-12
  1.2 气动伺服控制系统的概况  12-14
    1.2.1 气动伺服控制系统的基本分类  12-13
    1.2.2 气动伺服控制系统国内外研究现状  13-14
  1.3 课题研究的目的与意义  14-15
  1.4 论文的主要研究工作  15-17
第二章气动伺服系统的结构与组成  17-25
  2.1 气动伺服系统硬件平台及结构  17-24
    2.1.1 比例阀控制气动伺服系统的工作原理  17-18
    2.1.2 气源及气体处理单元  18
    2.1.3 气缸  18-19
    2.1.4 比例方向控制阀  19-21
    2.1.5 位移传感器  21-22
    2.1.6 数据采集卡  22-24
  2.2 软件环境  24
  2.3 本章小结  24-25
第三章气动比例伺服控制系统的数学建模  25-37
  3.1 引言  25
  3.2 比例伺服控制系统数学模型的建立  25-34
    3.2.1 气缸腔体流量连续性方程  26-27
    3.2.2 比例方向阀压力-流量方程  27-28
    3.2.3 系统摩擦力特性分析  28
    3.2.4 气缸活塞力平衡方程  28-29
    3.2.5 伺服系统方框图  29-30
    3.2.6 系统开环传递函数  30
    3.2.7 比例方向控制阀的数学模型  30-32
    3.2.8 气动比例伺服控制系统总模型  32-34
  3.3 比例伺服控制系统数学模型  34-36
  3.4 本章小结  36-37
第四章平面柔性平台控制策略研究  37-56
  4.1 引言  37
  4.2 PID控制原理及算法实现  37-44
    4.2.1 PID控制原理  38-39
    4.2.2 数字PID控制算法  39-41
    4.2.3 PID控制器参数整定  41-42
    4.2.4 基于PID控制的系统仿真  42-44
  4.3 模糊控制及其算法实现  44-55
    4.3.1 模糊控制的基本原理  45-47
    4.3.2 自适应模糊PID控制  47-52
    4.3.3 基于模糊PID控制的系统仿真  52-55
  4.4 小结  55-56
第五章平面柔性气动伺服控制系统的实验研究  56-69
  5.1 控制系统软件结构设计  56-58
    5.1.1 Labview和Matlab的混合编程思想  56-57
    5.1.2 Labview环境下数据采集的实现  57-58
  5.2 增量式PID控制的实验研究  58-62
    5.2.1 系统死区测定与校正  59
    5.2.2 位置跟踪增量式PID控制实验  59-61
    5.2.3 轨迹跟踪增量式PID控制实验  61-62
  5.3 模糊控制的实验研究  62-66
    5.3.1 阶跃与方波信号响应的模糊控制实验  62-64
    5.3.2 正弦信号连续轨迹跟踪的模糊控制实验  64-66
  5.4 平面柔性控制系统  66-68
  5.5 本章小结  68-69
第六章结论与展望  69-71
  6.1 总结  69-70
  6.2 展望  70-71
参考文献  71-74
附录1 LABVIEW正弦信号控制界面  74-75
附录2 LABVIEW控制程序框图  75-76
致谢  76-77
攻读硕士学位期间发表的学术论文  77

基于气动比例控制的平面柔性平台的研究

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